Besaran Vektor

Kompetensi Dasar
3.1 Menganalisis ecara kualitatif ejala kuantum yang mencakup hakikat dan sifatsifat radiasi benda hitam
serta penerapannya
Materi Pembelajaran :
Radiasi benda hitam dan dualisme partikel-gelomang cahaya
Indikator
1. Mendeskripsikan fenomena radiasi benda hitam
2. Mendeskripsikan hipotesis Planck tentang kuantum cahaya
3. Menerapkan perilaku radiasi benda hitam untuk menjelaskan gejala pemanasan gelobal (misalnya
pada efek rumah kaca)
1. Benda Hitam
Teori kuantum dimulai dengan fenomena radiasi benda hitam. Apabila suatu
benda dipanaskan maka akan tampak mengeluarkan radiasi (misalnya ditandai dengan
terpancarnya cahaya yang berwarna-warni).
Radiasi Kalor
Permukaan suatu benda pada suhu mutlak T akan memancarkan energi kalor setiap satuan waktu
sebesar
W
=
energi kalor tiap satuan waktu persatuan luas, satuannya joule ; s . m Z atau watt/m2.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
1
Jadi persamaan diatas menunjukkan perambatan energi kalor melalui radiasi gelombang
elektromagnetik. Dari persamaan tersebut, apabila luas permukaan benda seluas A.m 2 maka energi
tiap satuan waktu atau daya yang dipancarkan oleh permukaan suatu benda.
Harga e tergantung daripada sifat permukaan benda. lintuk benda hitam sempurna harga e
= l, benda semacam ini merupakan pemancar energi kalor yang paling baik dan tentunya juga
merupakan penyerap kalor yang paling baik.
Soal :
Suatu permukaan benda hitam sempurna bersuhu 127 °C. Berapakah energi kalor persatuan
waktu yang terpancar dari permukaan benda tersebut.
Penyelesaian:
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
2
Hukum pergeseran Wien
Percobaan-percobaan untuk mengamati distribusi stektrum gelombang yang dipancarkan oleh suatu
benda telah dilakukan oleh Wien, yang dikenal sebagai rumus pergeseran Wien.
Wien memperoleh hubungan antara panjang gelombang pada intensitas pada intensitas pancar
yang maksimum dengan suhu mutlak benda sebagai:
Bila dii_buat grafik aubungan antara intensitas pancar terhadap frekuensi setiap terjadi kenaikan suhu,
puncak-puncaknya bergeser ke kanan, ke arah frekuensi yang lebih besar. Sedangkan hubungan
antara intensitas pancar terhadap panjang gelombang setiap terjadi kenaikan suhu puncak-puncaknya
bergeser ke kiri, ke arah panjang gelombang yang lebih kecil.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
3
2. Konsep Foton
Pada tahun 1901, Max Planck mengemukakan suatu hipotesa yang bunyinya :
'Energi gelombang elektromagnet dipancarkan dan dlserap oleh }ahan sebagai satuan -satuan aiskrit
yang disehut fbton, yang besarnya hf denga_n f frekuensi gelombang etektromagnetik dan h tetapan
Planck' :
Jadi menurut Planck gelombang elektromagnetik yang terpancar akan berbentuk paket-paket, untuk
gelombang dengan frekuensi f, pancaran itu berbentuk paket-paket energi yang disebut foton masingmasing dengan encrgi hf.
Persamaan energi foton
E = h.f
Paket-paket energi atau foton ini juga dapat bersifat sebagai mareri, yang dibuktikan dengan adanya
gejala fotolistrik dan gejala compton
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
4
3. Gejala Foto Listrik
Bila berkas cahaya dikenakan pada keping katoda dalam tabung ruang hampa yang dihubungkan
dengan sumber tegangan searah, maka akan tampak adanya arus yang mengalir dalam rangkaian.
Ini menunjukkan adanya elektron yang lepas dari permukaan katoda menuju anoda sehingga
jarum Galvanomer akan menyimpang dari kedudukan setimbangnya, atau terjadi arus listrik dalam
rangkaian.
Peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan katoda (Logam) oleh pengaruh energi foton dari
luar disebut dengan gejala foto listrik atau gejala foto elektron.
Tinjau gambar diatas
- Sebelum katoda disinari dengan berkas cahaya tidak ada arus yang lewat galvanometer.
- Setelah katoda disinari dengan berkas cahaya, ada arus listrik lewat galvanometer.
- Ini berarti ada elektron yang terlepas dari permukaan katoda menuju anoda, aliran elektron elektron inilah yang menimbulkan arus listrik.
- Elektron yang terlepas dari permukaan katoda pada peristiwa efek foto listrik ini disebut foto
elektron.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
5
Supaya dapat terjadi efek foto listrik, maka berkas cahaya dari luar tersebut harus memenuhi
beberapa persyaratan :
Frekuensi berkas cahaya yang menyinari katoda harus lebih besar dari frekuensi ambang bahan.
Atau panjang gelombang berkas cahaya yang menyinari katoda harus lebih kecil dari pai.jang
gelombang ambang bahan katoda.
Frekuensi ambang (fo)
Yang dimaksudkan dengan frekuensi ambang adalah frekuensi terkecil yang diperlukan untuk
melepaskan elektron dari permukaan logam.
Panjang gelombang ambang (λO)
Adalah parijang gelombang terbesar yang diperlukan untuk melepaskan elektron dari permukaan
logam. Logam-logam yang berlainan jenis akan mempunyai frekuensi ambang dan panjang
gelombang yang berbeda pula.
Hasil-hasil pengamatan tidak dapat diterangkan dengan teori gelombang dari cahaya. Pada teori
gelombang, pancaran energi dilakukan secara kontinu, oleh karena itu diharapkan bahwa
dengan memperbesar intensitas cahaya penyinaran, energi kinetik foto elektron juga akan
bertambah. Ini bertentangan dengan pengamatan, beda tegangan antara katoda dan anoda
sebanding dengan energi kinetik maksimum dan sama sekali tidak dipengaruhi oleh intensitas
penyinaran.
Maka pada tahun 1905 Albert Einstein menjelaskan gejala-gejala ini dengan menggunakan
hipotesa Planck. Cahaya yang disinari pada keping logarr. adalah merupakan paket-paket foton
dengan energi sebesar hf. Bila suatu foton diserap oleh bahan maka seluruh paket energinya
diserahkan kepada saiah satu elektron yang ada di permukaan keping logam. Bila hf cukup
besar maka sebagian dari energi itu, yaitu hf o digunakan untuk melepaskan elektron dari
ikatannya, sisanya akan muncul sebagai energi kinetik elektron.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
6
Perumusannya :
Bila berkas cahaya yang mengenai permukaan logam katoda mempunyai energi foton hf dan energi
ambang bahan katodanya hf o maka elektron akan terlepas dari permukaan logam dengan energi
kinetik :
Ek = hf – hfo
Ek = energi kinetik elektron yang terlepas.
hf = energi foton berkas cahaya dari luar.
hfo = energi ambang bahan logam katoda.
Jadi sisa energi sebesar (hf- hfo) dipakai untuk melepaskan elektron dari permukaan logam, yang
dipergunakan menjadi energi kinetik elektron.
Dari penjelasan Einstein didapatkan :
(1) Bila h.f = h.{ o maka Ek = 0, untuk f <fo elektron tidak akan lepas dari ikatan ion permukaan
bahan logam.
(2) Beda potensial antara katoda dengan anoda (V) sebanding dengan energi kinetik elektron
yang terlepas.
Jadi eV = Ek
e = muatan elektron
V = beda tegangan antara katoda dengan anoda
Ek = energi kinetik elektron yang terlepas
(3) Untuk cahaya dengan frekuensi f, kenaikan intensitas penyinaran hanya berarti kenaikan
jumlah foton yang masing-masing mempunyai energi h{. Karena satu foton hanya dapat
diserap oleh satu elektron, maka kenaikan jumlah foton ini sama sekali tidak mempengaruhi
besamya Ek, melainkan hanya menambah jumlah elektron yang terlepas dari permukaan
keping logam.
Bila yang diketahui adalah panjang gelombang ambaal; lagam dan panjang gelcmbang berkas
cahaya dari War, persamaannya dapat menjadi :
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
7
Supaya dapat terjadi efek foto listrik, maka dari persamaan di atas haruslah λ<λ 0
Soal
Frekuensi ambang suatu bahan logam sebesar 8 x 10 14 Hz, logam tersebut disinari dengan
berkas cahaya yang mempunyai 10 15 Hz. Tentukanlah besarnya energi kinetik elektron yang
terlepas dari permukaan logam tersebut.
Penyelesaian :
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
8
4. Gejala Compton.
Pada tahun 1923 Compton mempelajari gejala-gejala tumbuhan antara foton dan elektron.
Berkas gelombang elektromagnetik yang bersumber pada bahan radioaktif dikenakan pada
keping tipis berilium. Kemudian pada arah-arah tertentu dipasang alat pengamat (detektor)
elektron dan foton yang diatur agar hanya dapat mengamati pasangan elektron dan foton yang
datang secara serentak. Compton mendapatkan suatu kesimpulan bahwa paket-paket energi
gelombang elektro magnetik itu dapat berfungsi sebagai partikel dengan momentum.
jadi sudah tidak disangsikan lagi bahwa cahaya memiliki sifat kembar sebagai gelombang dan
sebagai partikel.
Sketsa percobaan tumbukan foton dengan elektron oleh Compton.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
9
Setelah terjadi tumbukan antara foton dengan elektron maka foton kehilangan energi sebesar
(hf - hf ), dalam hal ini f ' <f sedangkan panjang gelombang setelah bertumbukan akan
bertambah besar, yaitu A
λ' > λ. Bila penyimpangan arah foton setelah bertumbukan B terhadap arahnya semula, maka
hubungan antara λ dan λ' memenuhi hubungan:
Soal
Berapakah momentum dari seberkas cahaya yang mempunyai frekuensi 10 12 Hz. Bila diketahui
kecepatan cahaya 3.10 8 m/s dan konstanta Planck h = 6,63. 10 -'34 joule . detik.
Penyelesaian :
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
10
5. Pengujian Sifat Gelombang Materi
Apabila cahaya dapat bersifat sebagai gelombang dan sebagai par tikel, maka pada tahun 1924
Louis de Broglie adalah orang yang pertama mengajukan hypotesa bahwa partikel seperti
elektron juga dapat bersifat sebagai gelombang. Jadi dalam hal ini partikel (materi) akan dapat
juga bersifat sebagai gelombang.
Menurut de Broglie hubungan antara panjang gelombang partikel (λ) dan momentumnya (P)
diturunkan dari persamaan Compton, persamaan :
Hypotesa yang diajukan oleh Louis de Broglie ini diuji kebenarannya oleh Davisson dan Germer
pada tahun 1927 dengan memilih elektron sebagai partikel dalam eksperimennya. Dan hasilnya
meyakinkan bahwa apa yang lazimnya kita kenal sebagai materi, yaitu elektron, juga dapat
menunjukkan sifat gelombang, tepat seperti yang diramalkan dalam hypotesa de Broglie.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
11
6. Efek Rumah Kaca
Masalah : apakah efek rumah kaca tersebut?
Alat dan Bahan yang Digunakan :
Kotak sepatu l Tanah l 2 buah termometer l Pembungkus makanan dari plastik tak berwarna (kertas
wrap) l Pengatur waktu
Prosedur:
1. Isi kotak sepatu setengahnya dengan tanah.
2. Letakkan termometer di atas permukaan tanah. Letakkan termometer ke dua di luar kotak.
3. Tutup kotak yang terbuka dengan selapis plastik pembungkus.
4. Baca suhu pada kedua termometer.
5. Tempatkan kotak dan termometer ke dua bersebelahan di luar rumah yang banyak dikenai cahaya
matahari.
6. Catat pembacaan dari kedua termometer setiap 15 menit selama satu jam. Catat pembacaan
setiap satu jam selama 4 jam.
Hasil :
Semua atau sebagian besar pembacaan temperatur memperlihatkan bahwa temperatur dalam plastik
yang menutupi kotak lebih tinggi dibandingkan temperatur di luar kotak
Mengapa?
Sebuah struktur yang dirancang untuk memberikan sebuah perlindungan, lingkungan yang terkontrol
untuk menumbuhkan tanaman di dalam ruangan disebut greenhouse (rumah kaca). Rumah kaca ini
terbuat dari kaca atau material lain yang membiarkan cahaya matahari masuk. Kotak dalam eksperimen
ini merupakan contoh sebuah rumah kaca.
Energi matahari merupakan radiasi elektromagnet. Energi ini dipancarkan oleh matahari dan datang
dalam bentuk gelombang dengan panjang gelombang yang bervariasi. Radiasi panjang gelombangpendek dari matahari melewati pembungkus plastik yang menutupi kotak. Sebagian besar energi ini
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
12
diserap tanah dan sisi-sisi kotak kardus sehingga menyebabkan panasnya naik. Radiasi panjang
gelombang-panjang, disebut radiasi infra merah (gelombang panas), dilepaskan oleh tanah dan sisi-sisi
kotak kardus.
Sebagian ilmuwan berpikir bahwa radiasi panjang gelombang-pendek memasuki kotak melalui plastik dan
berubah menjadi radiasi panjang gelombang-panjang, atau gelombang panas, yang kemudian
terperangkap dalam plastik. Ilmuwan lain percaya bahwa penyebabnya karena rumah kaca tertutup,
sehingga udara panas terperangkap di dalamnya.
Selagi tidak ada udara dingin yang memasuki kotak, temperatur dalam rumah kaca tetap bertambah.
Atmosfir bumi, memerangkap radiasi panjang gelombang-panjang. Komposisi gas di udara lebih kurang
78 % nitrogen, 21% oksigen, dan 1% terdiri dari campuran gas seperti uap air, karbon dioksida dan
karbon monoksida dan lain-lain.
Seperti plastik yang menutupi kotak dalam eksperimen ini, atmosfir melewatkan energi matahari melalui
permukaan bumi. Panas permukaan menjadi naik dan memberikan radiasi panjang gelombang-panjang.
Sebagian besar dari gelombang panas ini diserap oleh uap air (air dalam fase gas) dan karbon dioksida
(gas yang dihasilkan oleh pembakaran dan dikeluarkan oleh hewan) di atmosfir yang terendah.
Gas di atmosfir ini mengirimkan sebagian besar gelombang panas ini kembali ke bumi, yang
menyebabkan permukaan bumi secara berangsur-angsur menjadi panas. Rumah kaca dan atmosfir bumi
kedua-duanya menangkap panas dari matahari. Oleh sebab itu, panas bumi ini disebut efek rumah kaca.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
13
Contoh Soal
1. Sebuah pemancar radio bekerja pada daerah f"rekuensi 30 KHz dan 6 MHz, maka siaran radio
tersebut dapat kita tangkap pada sebuah radio dengan panjang gelornbang:
A. 103 m dan S in
D.
104 m dan 50 m
B. 103 m dan 50 m
E,
105 m dan 500 m
C. 104 m dan 5 m
2. Dua buah benda terbuat dari bahan yang sama, masing-masing suhuuya 27 °C dan 127 °C
maka perbandingan energi kalon yang dipancarkan oielr kedua benda adalah:
A. 27 : 12"7
D. 81 : 256
B. 27 : 254
E. 81 : 265
C.81 : 254
3. Suhu permukaan suatu benda 483 K, maka menurut hukum pergeseran wien panjang
gelombang pada intensitas maksimum yang dipancarkan oleh permukaan benda itu :
A. 6 μm
D. 3 μm
B. 5 μm
E. 2 μm
C. 4 μm
4.
Frekwensi ambang suatu bahan 1,5 1016 HZ . Bila bahan tersebut disinari dengan sinar yang
mempunyai frekwensi 2.10 16 Hz. besarnya energi kinetik elektron yang terlepas dari permukaan
logam tersebut adalah :
A. 41,2 eV
D. 10,3 eV
B .20,6 eV
E 5,2 eV.
C 13,6 eV
5. Ektron bergerak dengan kecepatan 0.5 C, bila massa electron tersebut 9. 10 -31 Tentukan panjang
gelombang electron menurut De Broglie
A. 0,048 Ao
B. 0,096 Ao
C. 0,486 Ao
D. 0,962 Ao
E. 1,458 A°o
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
14
Soal-soal Latihan
1. Sebuah benda hitam sempurna luas
permukaannya 10 cm 2 bersuhu 1000 K.
Maka besarnya energi yang dipancarkan
dalam 1 detik adalah …
2. Pada peristiwa efek foto listrik, makin
besar intensitas cahaya penyinarannya,
maka :
(A) Makin besar energi kinetik elektron yang
terlepas
(B) Makin besar kecepatan etektron yang
terlepas
(C) Makin banyak elek.tron yang terlepas
(D) Kecepatan dan jumlah elektron yang
terlepas bertambah
(E) Energi yang terserap oleh bahan makin
besar
3. Energi foton suatu gelombang
elektromagnetik tergantung pada :
(A) Kecepatannya
(B) Amplitudonya
(C) lntensitasnya
(D) Suhunya.
(E) Panjang gelombangnya
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
15
4 Dua buah benda terbuat dari bahan yang
sama masing-masing suhunya 300 K dan
600 K. Berapakah perbandingan energi
yang dipancarkan oleh kedua permukaan
benda tersebut
.
5. Bila suhu permukaan matahari 6000 K, jari
jarinya 7 X 108 meter dan bila dianggap
koefisien emisivitasnya sama dengan benda
hitam sempurna, tentukanlah:
(a) Energi tiap satuan waktu persatuan luas
yang dipancarkan.
(b) Daya yang dipancarkan setiap saat.
(c) Dalam waktu satu hari berapa energi
yang dipancarkan
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
16
Kompetensi Dasar
3.2 Mendeskripsikan perkembangan teori atom
Materi Pembelajaran :
Teori atom Thomson, Rutherford, Niels Bohr dan Mekanika Kuantum
Indikator
1. Mendeskripsikan karakteristik teori atom Thomson, Rutherford, Niels Bohr, dan mekanika kuantum
2. Menghitung perubahan energi electron yang mengalami eksitasi
3. Menghitung panjang gelombang terbesar dan terkecil pada deret Lyman, Balmer, dan Paschen pada spectrum
atom hidrogen
1. Model Atom Menurut Thomson
Sehubungan dengan penemuan elektron oleh JJ. Thomson yang menjadi bagian dari atom, maka
J J. Thomson mengeluarkan suatu model atom pada tahun 1904. Menurut JJ. Thomson atom itu
mempunyai muatan positif yang terbagi merata keseluruh isi atom. Muatan ini dinetralkan oleh
elektron-elektron yang tersebar diantara muatan atom itu.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
17
2. Hamburan Rutherford
Ernest Rutherford mengadakan suatu percobaan dengan menembakkan part~7ce1-part&el alfa
pada suatu lempengan emas yang sangat tipis, yaitu seteba10,01 mm atau kira -kira setebal
2000 atom.
Apabila model atom Thomson itu benar, maka partikel-partMcel alfa tidak akan dihamburkan
pada waktu mengenai lempengan emas. Partflcel alfa dengan energi yang sangat besar dengan
massa yang jauh lebih besar dari massa elektron diharapkan akan bergerak lurus, tak terganggu
oleh elektron dan muatan positif atom emas yang menyebar disekitar elektron. Ternyata
partilcel-partikel alfa yang dipergunakan dalam percobaan itu tidak seluruhnya dapat menembus
lempengan emas secara lurus, tetapi beberapa diantaranya ada yang dibelokkan, bahkan ada
yang dikembalikan dengan membentuk sudut antara 90 ° sampai 180°. Hal ini menunjukkan
bahwa muatan positif dari atom tidak menyebar, tetapi mengumpul pada suatu tempat dalam
tiap-tiap atom, sehingga dapat menghamburkan part ikel-partlel alfa pada saat menumbuk atomatom tersebut.
Percobaan inilah yang mendorong Rutherford pada tahun 1911 untuk menyusun model atom
yang baru.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
18
2.1 Model Atom Menurut Rutherford
Menurut Rutherford muatan positif dan sebagian besar massa atom akan berkumpul pada
suatu titik, yaitu terpusat di tengah-tengah atom. Pusat ini disebut inti atom. Di luar ini, pada
jarak yang relatif jauh ada elektron-elektron yang berputar dalam lintasan-lintasan tertentu,
seperti planet-planet yang bergerak seperti susunan tata surya.
Atom secara keseluruhan bersifat netral. Muatan inti adalah posit if dan besarnya sama
dengan besar muatan elektron-elektron yang mengitarinya. Inti atom dengan elektron saling
tarik menarik, ini menyebabkan adanya gaya sentripetai pada elektron yang menyebabkan
lintasan elektron tetap seperti gaya gravitasi dalam tatasurya. Inti hidrogen bermuatan satu
muatan elementer, karena terdapat sebuah elektron yang mengelilinginya, inti helium
bermr:atan dua muatan elementer dan inti oksigen bermuatan delapan muatan elementer.
Pada suatu reaksi kimia, inti atom tidak mengalazni perubahan. hanya elektron pada
lintasan-lizltasan luar saling mempengaruhi.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
19
2.2 Pengujian model Atom Rutherford
Model atom Thomson diuji dengan hamburan pa;tikel alfa. demikian juga model atom
Rutherford periu diuji apakalh sesuai dengan kenyataan-kenyataan yang harus berlaku.
Menurut Rutherford elektron bergerak rnengeiilingi inti yang, bermuatan positif. Untuk atom
hidrogen dapat kita lihat seperti gambar berikut:
Gaya tarik antara inti dan elektron adalah :
gaya tarik ini sama besar dengan gaya sentripetal yang bekerja pada elek;ron tersebut
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
20
sehingga besarnya energi kinetik elektron pada jari jari lintasan r adalah :
Sedangkan besarnya energi potensial elektron _yang bermuatan -e pada j arak r dari inti.
Energi yang dimiliki oleh elektron bertanda negatii. Bila r kecil maka E kecil, dan energi yang
dimiliiki oleh elektron makin besar bila r makin besar atau bila elektron makin jauh dari inti.
Karena elektron bermuatan listnk maka selama bergerak akan menimbulkan arus listrik. Akan
terjadi medan magnet yang berubah-ubah. Medan magnet ini akan dapat nenimbulkan medan
listrik yang berubah-ubah juga. Elektron yang bergerak mengelilingi inti itu akan menimbulkan
gelombang elektromagnetik jadi elektron-elektron itu akan memancarkan energi.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
21
Kelemahan-kelemahan model atom Rutherford.
(1) Karena dalam lintasannya elektron memancarkan energi, maka energi elektron akan
berkurang, jari jari lintasannya akan mengecil. Lintasannya tidak lagi merupakan lingkaran
dengan jari jari yang sama, tetapi merupakan putaran berpilin yang selalu mendekati inti
dan akhirnya elektron akan jatuh dan bersatu dengan inti. Jadi atom itu tidak stabil.
(2)
Apabila lintasan elektron makin mengecil, maka waktu putarnyapun akan mengecil.
Frekuensi gelombang yang dipancarkannya akan menjadi bermacam-macam. Jadi atom
hidrogen tidak akan menunjukkan suatu spektrum garis tertentu tetapi merupakan
spektrum yang kontinu. Hal ini bertentangan dengan hasil pengamatan memakai
spektrometer yang menurgukkan garis-garis khas hidrogen.
3 Spektrum Atom Hidrogen Dan Model Atom Menurut Bohr
3.1 Spektrum Atom Hidrogen
Pengamatan dengan spektrometer menunjukkan spektrum hidrogen terdiri dari deretan garisgaris yang terpisah-pisah menurut aturan tertentu. Aturan-aturan ini dikenal dengan deret Lyman,
Balmer, Paschen, Bracket dan Pfund.
Sebuah elektron dapat berpindah dari lintasan tertentu ke lintasan lainnya. Lintasan-lintasan
yang diperbolehkan itu menentukan energienergi elektron. Lintasan paling dekat dengan inti,
yaitu lintasan dengan n = 1 yang merupakan keadaan normal atau keadaan paling stabil untuk
atom yang bersangkutan, karena elektron mempunyai energi potensial yang paling rendah dalam
keadaan ini.
Loncatan ke lintasan yang berikutnya, n = 2 atau ke n = 3. berarti ke keadaan energi yang lebih
tinggi. Dalam keadaan ini atom ada dalam keadaan eksitasi atau tidak stabil. Pada saat elektron
akan kembali ke keadaan normalnya, elektron tersebut akan memancarkan energi foton.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
22
Energi foton yang dipancarkan oleh elektron itu ternyata berupa garis-garis spektrum sebagai.
akibat eksitasi, garis-garis spektrum ini sesuai dengan deret-deret yang diamati oleh Lyman,
Balmer, Paschen, Bracket dan Pfund.
3.2 Model Atom Menurut Bohr.
Pada tahun 1913 Niels Bohr menyusun model atom hidrogen berdasarkan model atom
Rutherford dan teori kuantum.
Model atom Borh berdasarkan dua postulat :
1. Elektron tidak dapat berputar sekitar inti melalui sembarang lintasan, tetapi hanya dapat melalui
lintasan-lintasan tertentu saja tanpa membebaskan energi. Lintasan-lintasan itu mempunyai
momentum arguler elektron :
2.
Sebuah elektron akan menyerap atau memancarkan energi-enei bila berpindah dari lintasan
tertentu ke lintasan lainnya. Beru energi foton yang besarnya hf.
Bila transisi terjadi dari lintasan luar ke lintasan yang lebih di dala elektron tersebut akan
memancarkan energi foton. Bila sebalikn akan menyerap energi.
Perlu diingatkan kembali, makin besar bilangan kuantumnya mak besar energi elektr on pada
lintasan bilangan kuantum tersebut.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
23
Dengan mengetahui jari jarinya dapat kita tentukan besarnya energi elektron pada masing masing lintasannya :
4. Penerapan Model Atom Bohr pada Spektrum Atom Hidrogen
energi foton yang dipancarkan oleh elektron dalam bentuk gelombang elektromagnetik itu mempunyai
panjang gelombang yang dapat dirumuskan sebagai benkut:
Energi foton yang dipancarkan :
R,
.
tetapan Rydberg
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
24
n A = lintasan yang dituju dan n B dari lintasan luar.
(1) Untuk
(2).Untuk
(3) Untuk
(4) Untuk
(5) Untuk
deret
deret
deret
deret
deret
Lyman
Batmer
Pazchen
Bracket
Pfund
n A =1
n A =2
n A =3
n A =4
nA = 5
dan
dan
dan
dan
dan
n B =2, 3, 4, . . . . , . .
n B =3. 4, 5 .......
n B =4, 5, 6,. . . . . . .
n B =5, 6, 7........
n B = 6. 7 8. . . . . . .
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
25
Apabila hidrogen mendapatkan energi yang cukup maka elektronnya dapat diaktivasikan sampai
ke lintasan n = tak terhingga , artinya terjadi ionisasi. Energi yang diperlukan disebut energi
ionisasi.
Besarnya energi ionisasi dari masing-masing lintasan elektron memenuhi persamaan :
5. Elektron Volt (eV)
Satu eV adalah besarnya energi yang diperoleh bila sebuah elektron dipercepat dalam medan
listrik melalui beda potensial satu Volt.
Kelemahan-kelemahan model atom Bohr
- Lintasan elektron yang mengelilingi inti ternyata sangat rumit, lintasannya bukan berupa
lingkaran saja.
- Model atom Bohr hanya dapat menerangkan model atom hidrogen, sedangkan untuk atom
berelektron banyak mempunyai perhitungan yang sangat sukar, sehingga sukar untuk
diterangkan.
- Tidak dapat menerangkan pengaruh medan magnet terhadap spektrum atom, hal ini dapat
diterangkan oleh Zee•man.
- Tidak dapat menerangkan kejadian-kejadian dalam ikatau kimia dengan baik.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
26
Soal-Soal Latihan
1. Manakah kenyataan berikut ini yang tidak
dapat dijelaskan oleh model atom
Rutherford.
(A) Atom dapat terionisasi.
(B) Elektron-elektron dapat
memancarkan energi.
(C) Terhamburnya partikel-partikel
bermuatan bila melalui atom-atom.
(D) Spektrum pancar atom berbentuk
garis-garis.
(E) Partikel - partikel bermuatan dapat
melewati kumpulan atom-atom.
2. Energi ionisasi ialah energi yang
diperlukan untuk memindahkan elektronelektron dari lintasan normal ke lintasan
dengan bilangan kuantum
a. n = 0
b. n = 1
c. n = 2
d. n = 3
e. n = ~
3. Suatu atom hidrogen ada dalam keadaan
normal bila elektronnya:
(A) Ada di inti atom
(B) Lepas dari inti atom
(C) Pada lintasan tertentu
(D) Ada pada tingkat energi terendah
(E) Ada pada tingkat energi tertinggi.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
27
4.
Bila tedadi transisi elektron dalam
orbitnya, dari atom hidrogen maka
energi terbesar yang dipancarkannya
ialah:
(A) dari n = 2 ke n = 1
(B) dari n = 3 ke n = 2
(C) dari n = 4 ke n = 3
(D) dari n = 4 ke n = 2
(E) dari n = 5 ke n = 2
5. Besarnya energi yang dipancarkan
bila terjadi transisi elektron dari
lintasan n = 2 ke n = 1 adalah
(A) 1 eV
(D) 4 eV
(B) 2 eV
(E) 5 eV
(C) 3 eV
6. Percobaan Franck dan Hertz
membuktikan bahwa:
(A) Inti atom bermuatan positif.
(B) Muatan elektron adalah muatan
elementer.
(C) Spektrum yang dipancarkan atom
hidrogen berupa spektrum garis.
(D) Energi atom berupa tingkat-tingkat
energi.
(E) Elektron akan mengabsorpsi energi
bila terjadi transisi dari lintasan dasar
ke lintasan lebih tinggi
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
28
7. . Terangkanlah secara singkat model
atom- menurut
(a) Thomson
(b) Rutherford
(c) Bohr
8. Berapakah besarnya:
(a) Energi kinetik elektron pada lintasan n
= 1.
(b) Energi potensial elektron pads lintasan
n = 1.
Dari atom hidrogen menurut Bohr.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
29
Kompetensi Dasar
3.3 Memformulasikan teori relativitas khusus untuk waktu, panjang, dan massa, serta kesetaraan massa
dengan energi yang diterapkan dalam teknologi
Materi Pembelajaran :
Relativitas waktu, panjang, dan massa serta kesetaraan massa dan energi
Indikator
1. Memformulasikan relativitas khusus untuk massa, panjang dan waktu
2. Menganalisis relativitas panjang, waktu, massa, energi, dan momentum
3. Mendeskripsikan penerapan kesetaraan massa dan energi pada teknologi nuklir
1. Relativitas
Jika kita perhatikan berapa macam gelornbang yang kita ken al, nyata bagi kita akan adanya
medium, untuk tiap gelombang tersebut.
Pada abad ke-19, orang menyebut ether, sebagar medium yang ada pada ruang hampa.
Pada tahun 1887, Michelson dan Morley rnengadakan eksperimen yang bermaksud untuk
mengukur kecepatan aliran ether. Kesimpulan percobaan yang dilakukan Michelson dan
Morley;
- tidak dapat mengamati adanya ether
- Kecepatan cahaya sama dalam septa arah. tidak tergantung dari gerak bumi.
2. Teori Relativitas khusus
Albert Einstein mengajukan teori relativitas khusus yang dikenal sebagai Postul at Einstein
yaitu:
1. Kecepatan benda-benda yang bergerak hanya dapat diberikan secara relatif
terhadap benda yang lain.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
30
2. Hukum penjumlahan kecepatan tidak herlaku untuk cahaya. Kecepatan cahaya di
alam semesta dalam segala arah selalu sama, tidak ber gantung pada gerak
sumbernya ataupun gerak pengamatnya.
3. Penjumlahan kecepatan relatif.
Jika dua kecepatan vi dan v2 dijumlahkan, hasil yang diperoleh adalah:
Contoh soal
1. Sebuah
partikel elementer yang disebut neutrino bergerak dengan kecepatan cahaya u = c.
Sebuah pengamat bergerak dengan kecepatan v ke arah neutrino. Terhadap pengamat,
berapa kecepatan neutrino?
Pembahasan:
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
31
2. Andaikan bahwa kecepatan dua pesawat jet (terhadap tanah) yang saling mendekati adalah u =
3200 km/jam dan v = 1600 km/jam. Berapa kecepatan pesawat pertama diukur oleh pesawat
kedua?
Pembahasan:
3. Postulat Einstein adalah ....
(1) massa benda tak konstan
(2) waktu diam dan waktu bergerak tidak sama
(3) panjang diam panjang bergerak tidak sama
(4) kecepatan cahaya dalam vakum yang dipancarkan oleh sumber diam dan sumber bergerak
adalah sama
Pembahasan:
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
32
4. Dilatasi waktu
Selang waktu dipengaruhi oleh gerak relatif. Sebuah jam yang bergerak terhadap seorang
pengamat menunjukkan detikan yang lebih cepat daripada detikan, jika jam tersebut berhenti
(diam) terhadap dia sendiri.
Bila beda waktu Δt' dalam kerangka 0' (yang bergerak), diukur oleh pengamat yang ada dalam
kerangka 0 (diam), maka pengamat di 0 akan mencatat;
selalu lebih besar dari satu, maka
waktu yang diamati 0, yaitu Δt mempunyai harga lebih besar dari waktu yang diamati oleh 0',
yaitu Δt'.
Jadi dapat disimpulkan bahwa waktu yang diukur oleh sebuah jam dalam kerangka bergerak
menjadi mulur bila diamati dari kerangka diam. Peristiwa ini disebut dilatasi waktu.
Sekarang bila beda waktu Δt untuk kejadian di dalam kerangka 0 (diam), jika diamati dari
kerangka 0' (yang bergerak) sebagai:
Peristiwa yang terjadi di kerangka 0 (diam) juga akan tampak mulur jika diamati dari kerangka 0'
(bergerak).
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
33
5. Kenisbian panjang
Karena adanya dilatasi waktu yang dipengaruhi oleh gerak relatif maka akan berpengaruh juga
pengukuran panjang benda. Panjang suatu benda yang bergerak akan tampak lebih pendek bila
diamati dari kerangka 0 (diam). Demikian juga sebaliknya benda pada kerangka 0 (diam) diamati
dari kerangka 0' (bergerak) akan tampak lebih pendek.
Sebuah benda panjangnya L bergerak dengan kecepatan v terhadap seorang pengamat yang
diam, maka panjang benda yang diamati oleh mengamat tersebut.
Jadi benda yang bergerak akan tampak lebih pendek bila diukur dari kerangka diam. Peristiwa
ini disebut Kontraksi Lorentz.
Contoh soal
1. Andaikan kita melihat satu meter tongkat yang bergerak sejajar dengan tongkat dengan
kecepatan 60% dari kecepatan cahaya. Berapa panjang tongkat menurut pengamatan?
Pembahasan:
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
34
2. Menurut orang yang berada di Starship USS Enterprise, panjang pesawat tersebut adalah
100 m. Bila pesawat tersebut melintasi bumi dengan laju 0,8 c, tentukan berapa panjang
Enterprise bila diukur dari Bumi?
Pembahasan:
3. Jarak antara gunung A dan gunung B bila diukur orang di Bumi adalah L = 100 km.
Berapa harga jarak antara kedua gunung tersebut bila diukur dari pesawat angkasa USS
Enterprise yang lagi bergerak dengan laju 0,8 c.\
Pembahasan :
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
35
6. Massa relativitas
Jika suatu benda bergerak dengan laju u mendekati kecepatan cahaya (c) maka massanya
selalu lebih besar daripada massa diamnya.
Jika m o = massa benda dalam keadaan diam, dan
M = massa benda tersebut yang bergerak dengan laju u
Dengan demikian dapat disimpulkan, jika laju benda jauh lebih . kecil dari c maka m = m o (massa
benda dianggap tetap).
Jika laju benda lebih besar dari c maka
1  u / c merupakan bilangan imajiner,
sedangkan massa imajiner tidak ada artinya. Oleh karena itu diambil pembatasan: Laju paling
tinggi yang dapat dicapai oleh benda = c (kecepatan cahaya di ruang hampa).
2
2
Partikel-partikel yang dapat bergerak dengan laju mendekati c misalnya: elektron, proton, netron
dan sebagainya.
Dalam kehidupan sehari-hari (soal-soal mekanika) laju benda jauh lebih kecil dari c, maka
massa benda dianggap tetap.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
36
Contoh soal
1. Hitunglah massa suatu elektron yang bergerak dengan kecepatan setengah kecepatan
cahaya.
Pembahasan:
2. Berapa massa elektron yang kecepatannya v = 0,99999992 c.
Pembahasan:
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
37
7. Asas kesetaraan massa dan energi
Apabila sebuah benda yang bermassa m berubah seluruhnya menjadi energi, maka besarnya
energi yang terjadi tersebut adalah:
E = mc2
dengan:
m
=
c
=
E
=
massa benda (kg)
kecepatan cahaya (m/det)
energi (joule)
Perubahan massa menjadi energi, misalnya: Sumber energi matahari, bintang, bom atom dan
sebagainya.
Dalam mekanika relativistik, energi kinetik suatu benda yang massanya m (massa yang diukur
waktu benda itu berhenti) dan kecepatannya u, bukan lagi %z mu2, melainkan:
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
38
Contoh soal
1. Setiap detik di matahari terjadi perubahan 4 X 109 materi menjadi energi radiasi.
Bila laju cahaya dalam vakum adalah 3 X 10'0 cm/det daya yang dipancarkan
oleh matahari adalah
Pembahasan:
2. Tentukanlah Energi yang diperlukan untuk memberi suatu elektron suatu kecepatan 0,9 c,
bergerak dari posisi diam.
Pembahasan:
2. Suatu partikel tertentu mempunyai suatu energi kinetik sama dengan energi diam. Berapa
kecepatan partikel ini?
Pembahasan:
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
39
Latihan Soal
1. Jika c adalah laju cahaya di udara, maka
agar massa benda menjadi 125
persennya massa diam, benda harus
digerakkan pada kelajuan ....
2. Pada saat bergerak panjano sebuah
pesa„at menjadi ½ dari panjang
pesawat itu dalam keadaan diam. Jika
c = kecepatan cahava maka kecepatan
pesau-at itu relatif terhadap pengamat
yang diam adalah ...
3. Apabila benda bergerak dengan
kecepatan 0,8 C, maka presentase
pertambahan
massa
benda
tersebut adalah .... (C = laju
cahaya)
4. Sebuah roket waktu diam di bumi
mempunyai panjang 100 m. Roket
tersebut
bergerak
dengan
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
40
kecepatan 0,8 C (C = kecepatan
cahaya dalam vakum). Menurut orang
di bumi panjang roket tersebut selama
bergerak adalah ....
5. Awak pesawat ruang angkasa tidur
telentang membujur searah dengan
panjang pesawat. Pesawat bergerak
arah mendatar dengan kecepatan
O,SM. Hasil pengamatan dari bumi
tinggi awak pesawat 1 m. Jika c adalah
laju cahaya di udara maka tinggi awak
pesawat sebenarnya adalah ....
Kompetensi Dasar
4.1 Mengidentifikasi karakteristik inti atom dan radioaktivitas
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
41
Materi Pembelajaran :
Inti atom dan Radioaktivitas, Konsep nuklida dan energi ikat inti, Kesatabilan inti dan peluruhan
Aktifitas radiasi, Waktu paro, Energi reaksi fusi dan fisi
Indikator
1. Mendeskripsikan karakteristik inti atom
2. Mendeskripsikan karakteristik radioaktivitas
3. Mendeskripsikan prinsip kesetaraan massa dan energi pada konsep energi ikat intii
1. Struktur Inti
Inti atom terdiri dari:
- proton (bermuatan positif)
- neutron (tak bermuatan)
massa proton = massa netron
massa atom terpusat pada intinya atau massa atom = massa intinya.
massa proton
massa neutron
massa electron
muatan elektron
= 1,67252 X 10-27kg
= 1,67482 X 10-27 kg
= 9,1083 X 10-31 kg.
= 1,6 X 10-19 coulomb.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
42
Nomor atom = Z adalah:
1. Nomor tempat unsur dalam susunan berkala.
2. Jumlah proton di dalam inti = jumlah muatan positif di dalam inti.
3. Jumlah elektron di kulit (untuk atom netral).
Nomor massa = A adalah;
1. Jumlah proton'+ neutron dalam inti (proton + neutron ; nukleon)
2. Bilangari bulat. yang terdekat dengan massa atom (dalam.sma.)
misalnya:atom Na massanya = 22.94 sma
maka nomor massanya = 22
Jumlah neutron dalam inti = A - Z.
Nomor massa suatu inti selalu lebih besar daripada nomor atornnya, kecuali atom 1 H1 yang
mempunyai nomor massa sama dengan nomor atom.
2. Spektrometer massa
Untuk mengukur massa ion positif di dalam pipa lucutan dipergunakan sebuah alat yang disebut
spektrometer massa di antaranya adalah spektrometer massa dari Aston.
Bagian muka terdiri dari sebuah tabung lucutan, di mana ion positif digerakkan dengan cepat sekali
dalam medan listrik yang sangat kuat.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
43
Pada cara Aston, kecepatan v dapat dilenyapkan seperti berikut: Misalnya selisih potensial antara
kedua elektroda V, maka tenga-tenaga yang diperoleh ion itu:
3. Isotop
Isotop adalah atom-atom dari suatu unsur yang mempunyai nomor atom (Z) sama tapi nomor
massanya (A) berbeda.
Jadi isotop suatu unsur:
- Sifat kimianya sama (karena sifat kimia ditentukan oleh elektron-elektron, terutama elektron
terluar).
- Sifat alam- (fisis) berbeda (karena sifat alam ditentukan oleh inti, mis: titik beku, titik didih, sifat
listrik, sifat magnet, waktu paruh dan sebagainya).
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
44
Isobar adalah atom-atom dari suatu unsur yang mempunyai nomor massa (A) sama tetapi nomor
atomnya berbeda.
Contoh:
90 Th
234
dan
92 U
234
Isoton adalah suatu unsur di mana jumlah neutron dalam intinya sama.
Isotop radioaktif dengan sendirinya intinya memancarkan sinar α dan β disertai sinar γ
Sifat inti radioaktif tidak dipengaruhi oleh tekanan s suhu.
maka inti yang terjadi:
- Jumlah proton bertambah 1 = nomor atom bertambah 1.
- Sedangkan nomor massanya tetap.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
45
Kalau disebut sinar β saja maksudnya adalah elektron.
Radioisotop (isotop yang radioaktif) terbagai atas:
1) Radioisotop alamiah.
2) Radioisotop buatan (dibuat di Reaktor atom).
4.
Energi ikat inti
Satuan massa atom = sma
Definisi: 1 sma = 1/12 massa 1 atom 6 C 12 Telah didapatkan bahwa:
massa 1 neutron
=
1,00866544 sma
massa 1 atom H
=
1,00782522 sma
massa 1 atom 8 O 16 =
15,994915 sma.
Kita tahu 1 atom, H' terdiri dari: 1 elektron dan 1 proton, maka : 8 atom, H l terdiri dari: 8
proton; 8 elektron dan (16-8) neutron. Jadi 8 atom H + 8 neutron = 8 elektron + 8 proton +
8 neutron.
Hal ini setara dengan susunan 1 atom 8 0 16 , yang terdiri dari 8 proton + 8 elektron + 8
neutron.
Maka dapat dianggap 1 atom oksigen 8O 16 terbentuk dari 8 atom H + 8 neutron.
massa 8 atom H
= 8. (1,00782522) sma
massa 8 neutron
= 8. (1,00866544) sma
-----------------------------------------------------------massa 8 atom H + 8 neutron = 16,137010 sma
Sedangkan massa 1 atom oksigen
8
O
16
= 15,994915 sma.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
46
Ternyata massa oksigen lebih ringan dari jumlah massa partikel _ pembentuknya. Jadi pada
waktu pembentukan atom oksigen ada massa yang hilang menjadi energi.
Dari rumus kesetaraan massa energi:
E = mc
2
Dan diketahui 1 sma = 931,4. 10 6 e.v. = 931,4 MeV
Jadi energi ikatan pada inti O
Ei = (16,137010 - 15,994915) . (931,4 MeV)
= (0,142095). (931,4 MeV)
= 132,34728 MeV
Contoh soal
Massa neutron, proton dan partikel alpha masing-masing 1,008 sma, 1,007 sma dan 4,002
sma. Jika 1 sma = 931 MeV, maka tenaga ikat partikel alpha adalath ....
Pembahasan
5.
Radioaktivitas
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
47
Peristiwa ini ditemukan oleh Becquerel pada unsur-unsur Uranium. Ternyata unsur Uranium setelah
diselidiki memancarkan sinar radioaktif yang terdiri dari 3 macam yaitu: sinar α, β dan γ
Unsur-unsur yang dapat memancarkan sinar radioaktif ini tidak hanya Uranium, tetapi juga unsurunsur lainnya.
Unsur-unsur tersebut, disebut unsur radioaktif, yang mengalami perubahan sepontan dalam intinya,
disebut transformasi inti. Dalam reaksi ini dihasilkan juga neutron-neutron yang dapat melanjutkan
proses pembelahan selanjutnya, sehingga dapat terjadi pembelahan secara terus-menerus yang
disebut sebagai reaksi berantai.
Penyelidikan selanjutnya dilakukan oleh suami isteri Pierre Curie dan Marie Curie. Puluhan unsur lain
yang menunjukkan gejala radiasi dalam tahun-tahun berikutnya ditemukan, gejala radiasi ini disebut
radioaktivitas.
Seberkas sinar radioaktif bila dilewatkan pada sebuah bahan dengan ketebalan X, yang dapat
menahan intensitas berkas tersebutj maka intensitas yang dilewatkan akan memenuhi persamaan:
Io = intensitas sinar radioaktif sebelum melewati keping.
I = intensitas sinar radioaktif setelah melewati keeping
X = tebal kepingnya
e = bilangan natural, e = 2,71828
p =koefisien pelemahan oleh bahan keeping
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
48
x disebut dengan HVL = half value layer, yaitu tebal keping yang membuat intensitas menjadi
setengah dari intensitas awalnya.
6. Daya tembus sinar radioaktif
sinar α, β dan γ mempunyai daya tembus yang berbeda-beda Daya tembus γ > β > α
Jadi sinar gamma mempunyai kemampuan untuk menembus terbesar dibandingkan dengan dua
jenis sinar yang lainnya.
7.
Alat-alat deteksi
Sinar-sinar radioaktif seperti α, β, γ dan partikel-partikel lainnya seperti neutron, proton dan
sebagainya tidak dapat kita amati dengan mata atau panca indera lainnya. Untuk dapat
mengetahui adanya partikel-partikel tersebut dibuatlah alat yang disebut detektor.
Di antara detektor-detektor tersebut adalah:
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
49
- Pencacah Geiger Mueller Dapat dipakai untuk mendeteksi α, β, γ .
- Kamar kabut Wilson Alat ini dapat dipakai untuk mengetahui partikel-partikel bermuatan,
yang berupa jejak-jejak pada uap super jenuh.
- Emulsi Film Film yang diberi emulsi khusus dapat dipakai sebagai detektor untuk
mengetahui adanya , sinar-sinar radioaktif.
- Detektor sintilasi Bila sinar radioaktif mengenai. detektor ini, maka suatu zat yang
ditempatkan pada detektor ini akan dapat berpendar. Sintilasi artinya percikan/kedipan
cahaya.
Contoh soal
1. Suatu inti zat radioaktif memancarkan partikel alfa, berarti intinya kehilangan ....
(A) dua proton dan empat elektron
(B) dua proton dan dua neutron
(C) dua elektron dan empat neutron
(D) dua proton dan empat neutron
(E) dua elektron dan empat neutron
Pembahasan:
\
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
50
2. Suatu zat radioaktif alamiah dapat memancarkan ....
(1) zarah alpha
(3) zarah beta
(2) sinar gamma
(4) neutron
Pembahasan:
3. Atom Helium (He) terdiri dari .... (
(A) 2 proton dan 2 neutron
(B) 2 proton dan 2 elektron
(C) 1 proton, 1 neutron dan 1 elektron
(D) 2 proton, 1 neutron dan 1 elektron
(E) 2 proton, 2 neutron dan 2 elektron.
Pembahasan;
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
51
8.
Peluruhan Inti
Telah diketahui bahwa unsur-unsur radioaktif alam atau buatan selalu meluruh untuk
mencapai keadaan stabilnya.
Perumusan peluruhannya
Apabila diketahui waktu paruh
suatu unsur Ty, maka persamaan peluruhan dapat menjadi:
Satuan keaktifan suatu unsur dalam SI adalah Becquerel. Dan untuk satuan-satuan yang
lebih besar (hukum SI) dipakai satuan Currie
di mana : 1 Curie = 3,7 X 10 10 partikel/detik
1 Becquerel= 1 partikel/detik.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
52
Contoh soal
1. Bila N° menyatakan jumlah atom-atom suatu bahan radioaktif pada saat permulaan
pengamatan, dan N menyatakan jumlah atom-atom yang masih aktif setelah n kali waktu
paruh, maka hubungan yang benar antara besaran-besaran itu adalah ....
Pembahsana :
2. Bila waktu paruh suatu unsur radioaktif besarnya T detik, maka setelah 4 detik unsur
radioaktif tinggal ....
Pembahasan :
3. Suatu zat radioaktif meluruh dengan waktu paruh 20 hari. Agar zat radioaktif hanya tinggal
1/8 bagian saja dari jumlah asalnya; maka diperlukan waktu peluruhan . . . .
Pembahasan :
4. Sesudah dua jam, seperenam belas dari unsur mula-mula suatu unsur radioaktif tetap tinggal, maka
waktu paruhnya ....
Pembahasan :
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
53
9. Reaksi Inti
Gejala, radioaktivitas adalah merupakan proses perubahan inti menjadi inti lain.
Pada setiap reaksi ini selalu berlaku:
a. Hukum kekekalan momentum
b. Hukum kekekalan nomor atom '
c. Hukum kekekalan nomor massa
d. Hukum kekekalan energi
10. Reaksi fisi
Adalah reaksi pembelahan inti menjadi inti-inti yang lebih ringan, yang disertai dengan
pemancaran energi.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
54
Misalnya: reaksi pada reaktor atom, reaksi peledakan born atom (nuklir).
Atom dapat juga terbentuk unsur-unsur lain. Reaksi fisi, bisa merupakan reaksi yang berantai,
artinya dalam setiap reaksi jumlah neutron yang terbentuk seialu lebih banyak dari neutron
sebelumnya.
11. Reaksi fusi
`
Adalah reaksi penggabungan beberapa inti ringan menjadi sebuah inti yang lebih berat. Reaksi
fusi ini dapat terjadi di matahari; bintang dan pada peledakan bom hidrogen (H)
Contoh soal
l. Inti 7N14 ditembaki dengan partikel α dipancarkan proton. Inti apakah yang dihasilkan oleh
inti ini?
Pembahasan:
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
55
2. Apabila inti 226 88Ra memancar zarah alpha dan sinar gamma, maka inti yang terjadi
adalah ....
Pembahasan :
3.
4. Atom 7N14 ditembaki dengan partikel alpha, dan dalam proses itu sebuah proton dibebaskan.
Reaksi inti termaksud menghasilkan:
Pembahasan :
5.
Proses di mana sebuah inti atom berat terpecah menjadi dua atom yang lebih ringan dikenal
sebagai ....
Pembahasan :
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
56
Latihan Soal
1. . Jika suatu netron dalam suatu inti berubah
menjadi proton, maka inti itu
memancarkan ....
2. Suatu zat radioaktif meluruh dengan
waktu paruh 20 hari. Agar zat radioaktif
hanya tinggal 118 bagian saja dari
jumlah asalnya, maka diperlukannya
waktu peluruhan ...,
3. . Bila N0 menyatakan jumlah atom-atom
bahan radioaktif pada saat permulaan
pengamatan dan N menyatakan jumlah
atom-atom yang masih aktif setelah n kali
waktu paruh; maka hubungan yang benar
antara besaran-besaran itu adalah ....
4. Suatu zat radio aktif mernpunyai waktu
paro 8 tahun. Pada satu saat 7/8 bagian
zat itu telah meluruh (berdesintegrasi). Hal
ni terjadi setelah … tahun
5.
Setelah waktu 60 hari, zat radioaktif
yang belum berdisintegrasi masih 8
bagian dari jumlah asalnya. Waktu
paruh
zat
radioaktif
tersebut
adalah ..., (dalam hari)
6. 1 kg 218 84Pb memancarkan partikel
radio aktif dengan waktu paro 3 menit,
menjadi 218 84Pb . Dalam waktu 1 jam
massa 218 84Pb tinggal sekitar ..:.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
57
Kompetensi Dasar
4.2 Mendeskripsikan pemanfaatan radioaktif dalam teknologi dan kehidupan seharihari
Materi Pembelajaran :
Manfaat dan bahaya isotop radioaktif dalam bidang:,Kesehatan dan kedokteran,Pertanian, Industri, dan lain lain fisi
Indikator
1. Mendeskripsikan karakteristik radioisotop
2. Mendeskripsikan pemanfaatan dalambidang kesehatan, industri, dan pertanian
3. Mendeskripsikan skema reaktor nuklir dan manfaatnya
4. Mendeskripsikan penghitungan umur fosil atau batuan dengan menggunakan prinsip waktu paro
5. Menunjukkan bahaya radioisotop dancara mengurangi resikonya
1. Teknologi Nuklir
Reaktor Atom
Pada bulan Januari 1939 telah ditemukan reaksi pembelahan nuklir oleh sarjana-sarjana Jerman Otto
Hahn dan Fritz Straussman yang membuka pintu bagi perkembangan tenaga atom. Tiga tahun
kemudian yaitu pada tanggal 2 Desember 1942 Enrico Fermi dapat membuktikan bahwa reaksi
pembelahan nuklir berantai dapat dilaksanakan dan yang lebih penting lagi yaitu reaksi berantai
tersebut dapat dikendalikan. Sedangkan reaktor atom atau reaktor nuklir adalah tempat terjadinya
reaksi fisi berantai yang terkendali. Bom atom atau bom nuklir juga merupakan reaksi fisi nuklir
berantai tapi tak terkendali. Sebuah reaktor merupakan sumber energi. Energi yang dilepaskan dalam
sebuah reaktor nuklir timbul sebagai kalor, dan kalor ini diambil dengan mengalirkan zat cair atau gas
sebagai pendingin melalui bagian dalam reaktor.
Reaktor nuklir menurut kegunaannya dapat digolongkan :
(1) Reaktor daya,
yaitu reaktor yang dapat menghasilkan tenaga listrik.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
58
(2) Reaktor penelitian,
yaitu reaktor yang dipergunakan untuk penelitian-penelitian dibidangi material, fisika, kimia,
biologi, kedokteran, pertanian, inciustri dan bidang-bidang ilmu pengetahuan dan teknologi
lainnya.
(3) Produksi Isotop,
yaitu reaktor yang dipergunakan untuk memproduksi radioisotop, radioisotop ini banyak
dipergunakan dalam bidang kedokteran nuklir, farmasi, biologi dan industri.
Indonesia saat ini baru memiliki reaktor penelitian dan produksi isotop saja, yaitu di Bandung dan di
Yogyakarta dengan nama reaktor Triga Mark II. (Triga = Trainning Research and Isotop production by
General Atomic). Dan saat ini juga sedang dibangun sebuah reaktor nuklir di Serpong dengan nama
reaktor MPR 30 (Multi Purpose Reactor dengan daya 30 Mwatt), reaktor ini juga untuk penelitian dan
memproduksi isotop. Daya operasi maksimum reaktor Triga Mark II Bandung 1000 Kwatt (1 Mwatt),
reaktor Triga di Yogyakarta dengan daya operasi maksimum 250 Kwatt. Tetapi daya yang
dihasilkannya ini tidak dimanfaatkan, karena sesuai dengan fungsinya sebagai reaktor tempat latihan,
penelitian dan memproduksi isotop.
Supaya reaktor dapat beroperasi dengan normal, maka diperlukan moderator dan zat pendingin.
Moderator adalah suatu bahan yang intinya dapat menyerap energi neutron cepat yang datang
sehingga menjadi neutron lambat. Karena di dalam reaktor atom supaya dapat terjadi reaksi fisi
berantai diperlukan neutron lambat. Moderator selain sebagai memperlambat neutron, juga berfungsi
sebagai pendingin.
Berdasarkan jenis pendinginnya, ada empat jenis reaktor.
(1) Reaktor pendingin gas dengan moderator grafit.
(2) Reaktor pendingin air ringan (H20)
reaktor air tekan (PWR)
PWR= Pressurized Water Reactor reaktor air didih (BWR)
BWR = Boiling Water Reactor
(3) Reaktor pendingin air berat (D20)
(4) Reaktor pendingin logam cair (sodium)
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
59
Sebagian besar reaktor komersial yaitu sebagai Pusat Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) yang ada
sekarang ini mernpergunakan air ringan sebagai moderator dan sebagai pendinginnya, yaitu berupa
reaktor PWR dan reaktor BWR. Tetapi reaktor air ringan (H 20) tidak dapat inemakai uranium
alamiah (U2 11) sebagai bahan bakarnya, tetapi memerlukan uranium yang kandungan U 235 nya
telah ditambahkan beberapa kali, yang disebut uranium yang diperkaya. Perbandingan U23$ dengan
U 23s di alam sekitar 99 : 1. Jadi hanya sekitar 1% kurang uranium itu mengandung isotop U 235
Supaya dapat dipergunakan dalam reaktor air ringan perlu diperkaya.
Sedangkan reaktor air berat (DZO) dapat mempergunakan uranium alamiah (U 23$) sebagai bahan
bakarnya.
Bagian-bagiannya :
(1) Bahan bakar
Terdapat di dalam teras reaktor yang ditempatkan di dalam moderator atau pendingin.
(2) Teras reaktor
Ini merupakan tempat untuk penempatan bahan bakar, yaitu tempat berlangsungnya reaksi
nuklir.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
60
(3) Moderator/pendingin primer
Moderator berfungsi untuk menurunkan energi neutron, selain itu juga berfungsi sebagai
pendingin primer dapat berupa air ringan atau air berat harus mempunyai sifat pemindah panas
yang baik.
(4) Batang kendali
Terbuat dari bahan yang daya serap neutronnya sangat besar. Karena batang kendali ini
berfungsi 'untuk mengendalikan jumlah populasi neutron yang terdapat di dalam reaksi, yang
juga berarti mengendalikan jumlah reaksi fisi yang terjadi.
(5) Perisai
Perisai atau Schielding, berfungsi menahan radiasi. yang dihasilkan oleh inti-inti hasil fisi;
supaya para pekerja dapat melakukan tugastugasnya di sekitar reaktor dengan aman.
(6) Pemindah panas
Berfungsi untuk memindahkan panas dari pendingin primer ke pendingin' sekunder. Pendingin
primer biasanya merupakan suatu rangkaian yang tertutup. Pendingin ini dikembalikan lagi ke
reaktor setelah panasnya yang dibawa dari reaktor dipindahkan ke pendingin sekunder
dengan pompa (8).
(7) Pendingin sekunder
Pendingin ini berupa air yang dialirkan keluar dari sistem reaktor, Jan didinginkan di luar
reaktor.
Salah satu pemanfaatan energi nuklir secara besar-besaran adalah dalam bentuk Pusat Listrik
Tenaga Nuklir (PLTN), di mana energi nuklir digunakan untuk pembangkit tenaga listrik yang relatif
murah aman dan tidak mencemarkan lingkungan.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
61
Dalam reaktor air tekan (PWR), air yang mengalir melewati teras reaktor dipertahankan bertekanan
tinggi, lebih dari 150 atmosfer, untuk mencegah terjadinya pendidihan pada air tangki yang suhu
sekitar sekitar 320°C. Melalui penukar kalor, air ini akan dapat menghasilkan uap pada tabung
pembangkit uap dan kemudian akan memutar turbin.
Sedangkan dalam reaktor air didih (BWR) tekanan lebih rendah, sekitar 70 atmosfer. Dalam tabung
reaktor dapat terbentuk uap dan uap ini dipisahkan dikirim iangsung ke turbin tanpa memakai tabung
" pembangkit uap. Keuntungan BWR dibandingkan PWR adalah kesederhanaannya, tetapi
memiliki kerugian yaitu dapat mencemarkan pendingin sekunder yang ditimbulkan oleh hasil fisi bila
terjadi kebocoran pada batang bahan bakar dalam teras reaktor.
2. Radioisotop
(a) Pembuatan Radioisotop
Pada umumnya radioisotop yang dipergunakan dalam berbagai keperluan tidak terdapat di
alam. Hal ini disebabkan waktu paruh dari nuklida aktif tersebut tidak cukup panjang. Maka
dari itu radionuklida yang dibutuhkan harus dibuat dari radionuklida stabil alamiah dengan
reaksi inti.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
62
Untuk membuat radioisotop dalam jumlah yang besar cara yang banyak dipakai ialah
menggunakan reaksi inti dengan neutron. Sebagai sumber neutronnya adalah reaktor inti.
(b) Penggunaan Radioisotop
Dewasa ini penggunaan radioisotop sudah meluas, seperti pada bidang-bidang kedokteran,
bidang industri, bidang pertanian, dan penggunaan dalam berbagai bidang-bidang
kehidupan.
Dalam bidang industri.
Aplikasi teknik nuklir dalam Menunjang industri dan konstruksi sudah sangat luas. Misalnya
dipergunakan untuk "pemeriksaan, material tanpa nterusak", dengan mempergunakan
teknik radiografi.
Dalam teknik radiografi ini, sinar gamma atau sinar-X yang dipancarkan dari radioisotop CO-60
atau Ir-192 dilewatkan melalui material yang akan diperiksa. Sebagian sinar itu akan diteruskan
dan sebagian lagi akan diserap.
Sinar yang diteruskan dapat dideteksi dengan film yang dipasang di belakang material. Setelah
filmnya diproses, dari tingkat kehitaman film yang dihasilkan dapat diinterpretasikan keadaan
serta cacad yang ada pada material tersebut. Hal yang sama juga dipergunakan di rumah s akit
untuk diagnosa mempergunakan sinar Rontgen (sinar-X).
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
63
Dari gambar 7.15 dapat ditunjukkan prinsip penggunaan radioisotop dalam pengukuran tebal
bahan material dalam suatu proses secara kontinu.
Dalam bidang hidrologi.
(1) Dapat dipergunakan untuk mengukur kecepatan aliran atau debit aliran. Misalnya aliran
fluida dalam pipa, saluran terbuka, air sungai, air dalam tanah. Dasar dari pengukuran ini
adalah mempergunakan perunut radioaktif. Yaitu perubahan suatu konsentrasi perunut
radioaktif dalam jangka waktu tertentu yang diakibatkan oleh suatu aliran, diukur dari
perubahan intensitas pancaran di dalam aliran itu untuk jangka waktu yang sama.
(2) Pengukuran air tanah.
Dengan mempergunakan sumur tunggal, alat yang mempunyai sumber neutron cepat
dimasukkan ke dalam sumur tersebut.
Sehingga terjadi tumbukan antara neutron cepat dengan hidrogen dari H20 akan timbul
neutron lambat. Neutron lambat dideteksi dengan detektor. Dengan menghitung cacahan
pada detektor, jumlah kandungan air dalam tanah dapat ditentukan.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
64
(3) Mendeteksi kebocoran pipa penyalur yang terbenam dalam tanah. Perunut radioaktif
dimasukkan ke dalam aliran, kemudian diikuti dari atas tanah dengan suatu detektor.
Tempat cacahan radioaktif tinggi menunjukkan letak kebocoran.
(4) Mengukur tinggi permukaan cairan atau benda lainnya dalam suatu •Nadah tertutup.
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
65
Dan masih banyak lagi penggunaan radioisotop dalam bidang hidrologi, seperti pengukuran
sedimen transport, yaitu pengukuran endapan lumpur pada pelabuhan laut yang menyebabkan
terjadinya pendangkalan, menentukan kebocoran suatu bendungan dan sebagainya.
Latihan Soal
1. Fungsi utama moderator pada sistem
reaktor atom adalah ....
A. mempercepat teijadinya reaksi fisi
B, menahan radiasi dari hasil fisi
C. memindahkan panas ke reservoir
D. mengendalikan populasi neutron
E. menurunkan laju neutron
2. . Berikut ini adalah pernyataan mengenai
reaktor atom bom atom.
1. pada reaktor atom berlangsung reaksi
fisi terkendali
2. pada bom ataom berlangsung reaksi
fusi tak terkendali
3. energi tiap fisi pada bom atom lebih
besar dibanding reaktor atom
4. jumlah neutron yang dihasilkan
tiap fisi oleh reaktor atom dan born
atom adalah sama
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
66
3. Dalam suatu reaktor nuklir
(1) terjadi reaksi berantai
(2) terjadi pengubahan massa menjadi
energi '
(3) dihasilkan netron bebas
(4) terjadi penggabungan inti-inti (fusi)
4. Bagian reactor atom yang berfungs sebagai
penahan radiasi adalah ....
A. shielding D.teras reaktor
B. moderator E. pendingin
C batang kendali
Bahan Ajar Fisika Kelas XII Semester Genap (I)
-
halaman-
67