TUGAS FISIKA INTI SIFAT INTI Oleh : FADHLINA NOER 16033049 PENDIDIKAN FISIKA A DOSEN PEMBIMBING : Dra. HIDAYATI,M.Si Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Padang 2019 SIFAT INTI A. Variasi Inti : Isotop, Isoton, dan Isobar Atom-atom suatu unsur dapat mempunyai nomor massa atom yang berbeda, karena jumlah neutron dalam atom tersebut berbeda. Selain itu, atom-atom yang berbeda dapat mempunyai nomor massa dan jumlah neutron yang sama. 1. Isotop Isotop adalah atom-atom yang mempunyai nomor atom yang sama, namun mempunyai massa atom yang berbeda atau unsur-unsur sejenis yang memiliki jumlah proton sama, tetapi jumlah neutron berbeda . Diketahui bahwa Nomor atom merupakan identitas dari atom, sehingga setiap atom yang mempunyai nomor atom yang sama maka unsurnya pun sama. Sebagai contoh, atom –atom yang memiliki isotop dapat dilihat pada tabel di bawah: Unsur Isotop , 21đģ , 31đģ Hidrogen 1 1đģ Helium 3 2đģ đ Karbon 13 12 14 6đļ , 6đļ , 6đļ Nitrogen 14 15 7đ , 7đ Oksigen 16 8đ , , 42đģ đ 17 8đ , 18 8đ . 2. Isoton Isoton adalah atom-atom unsur berbeda (nomor atom berbeda) yang mempunyai jumlah neutron yang sama. Contoh atom yang termasuk dalam isoton dapat dilihat pada tabel di bawah: Unsur Isoton Hidrogen dan Helium 3 1đģ Karbon dan Nitrogen 13 6đļ Natrium dan Magnesium 23 11đđ Jumlah Neutron dan 42đģ đ 2 dan 147đ 7 dan 24 12đđ 12 3. Isobar Isobar adalah atom-atom yang mempunyai nomor atom yang berbeda (nomor atom berbeda) namun memiliki massa atomnya sama. Contoh atom yang termasuk dalam isobar dapat dilihat pada tabel di bawah: Unsur Hidrogen dan Isobar 3 1đģ dan 32đģ đ Helium Karbon dan 14 6đļ dan 147đ Nitrogen Natrium dan 24 11đđ dan 24 12đđ Magnesium B. Analisis Sinar Positif Dan Eksistensi Isotop Untuk mengukur massa isotop dari suatu unsur digunakan peralatan yang disebut dengan analisis sinar positif dan spektrometer massa. Dengan peralatan ini dapat ditentukan spektrum dari massa suatu unsur yang menunjukkan adanya isotop dari berbagai unsur. 1. Analisis Sinar Positif Skema susunan peralatan analisis sinar positif dapat dilihat seperti pada Gambar 2.1. Ion positif dihasilkan gas dalam tabung diantara anoda dan katoda dengan cara lucutan muatan. Katoda terdiri dari silinder dengan panjang 7 cm yang ditempatkan pada leher tabung. Katoda M P Celah S1 Celah S2 Berkas ion P z x M Pelat fotografis (H) Gambar 2.1 Skema Analisis Sinar Positif. y Sebuah lubang yang sempit dengan diameter 1 mm dibuat pada katoda. Tabung lucutan beroperasi dengan beda potensial 30.000 sampai 50.000 volt. Dibawah beda potensial yang tinggi dalam tabung ion bergerak menuju katoda dan kemudian bergerak menurut sumbu menuju pelat PP dan elektomagnet MM yang dipasang diluar tabung. Pelat PP merupakan sebuah kapasitor yang dihubungkan dengan sumbe arus DC. Kedua medan yaitu medan listrik E dan medan magnet B bekerja secara tegak lurus dan bersamaan pada berkas ion. Setelah melewati kedua medan berkas ion akan menumbuk sebuah pelat fotografis. Jejak ion akan kelihatan seperti lintasan parabola setelah pelat itu dicuci. Medan listrik E menyimpangkan ion dalam arah bidang medan listrik, sementara medan magnet B menyimpangkan ion tegak lurus bidang medan magnet. Jika nilai E dan B dibuat tetap maka ion memiliki nilai q/M yang sama tetapi memiliki nilai kecepatan v yang berbeda akan menghasilkan jejak parabola pada pelat fotografis. Persamaan parabola ini dapat dijelaskan berikut ini. Misalkan lintasan ion dinyatakan dalam arah sumbu x dan medan listrik dan medan magnet dalam arah y positif. Pengaruh medan listrik adalah mempercepat ion positif dalam arah sumbu y, sehingga Fy listtrik īŊ qE īŊ Ma y (2.19) Dimana q adalah muatan ion positif, E adalah kuat medan diantara pelat, M adalah massa ion positif, dan ay adalah percepatan dalam arah sumbu y yang ditimbulkan oleh medan listrik E. Jika kecepatan ion sebelum memasuki medan adalah v yaitu dalam arah sumbu x, dan dengan panjang pelat adalah l, maka waktu t yang diperlukan oleh ion positif untuk melintasi medan ini tīŊ l v (2.20) Dengan menggabungkan kedua persamaan ini diperoleh yīŊ 1 1 qEt 2 a yt 2 īŊ 2 2 Mv 2 (2.21) Medan magnet yang bekerja pada ion menyimpangkan ion dalam arah tegak lurus pada B dan v yaitu dalam arah sumbu z. Gaya yang bekerja pada ion dalam arah sumbu z adalah Fz magnet īŊ qvB īŊ Ma z (2.22) Dimana B adalah kuat medan magnet az adalah percepatan dalam arah sumbu z. Simpangan dalam sumbu z diberikan oleh 1 2 1 qvBt 2 1 qBt 2 z īŊ azt īŊ īŊ 2 2 Mv 2 2 Mv (2.23) Eliminasi v dari persamaan di atas diperoleh z2 īŊ ī¨l 2 īŠ B2q y 2 EM z 2 īŊ ī¨kq / M īŠy Merupakan persamaan parabola karena k īŊ (2.24) l 2B2 adalah konstan. Ion positif 2E yang sama harga q /M tetapi berbeda kecepatannya, akan membentuk sebuah parabola tunggal. Ion yang memiliki kecepatan paling besar akan sedikit disimpangkan dan akan sangat dekat dengan titik asal. Thomson menggunakan metoda ini untuk berbagai jenis gas, yaitu H2, O2, CO, CO2, dan Ne. Untuk Ne Thomson memperoleh dua parabola yang menunjukkan bahwa neon merupakan campuran dari dua isotop. Nilai dari q/M adalah q / M īŊ z 2 / ky (2.25) Yang menghasilkan nilai M = 20 dan 22 amu. 2. Eksistensi Isotop Menurut Thomson bahan-bahan yang tidak radioaktifpun juga terdiri dari campuran isotop-isotop. Meskipun peralatan pengukur massa radioaktif dewasa ini sudah sangat maju dibandingkan dengan metoda pengukuran massa isotop awal yang dikembangkan oleh Thomson, prinsip dasarnya masih sama yaitu penyimpangan ion oleh medan listrik dan medan magnet. Dengan penggunaan medan listrik dan medan magnet kita dapat menghitung nilai q/M dari ion positif dari unsur yang sedang diteliti dan dengan mengetahui nilai muatan q maka massa ion M dapat dihitung. Analisis sinar positif merupakan metoda pengukuran isotop yang lebih awal dikembangkan sebelum spektrometer massa Dempster, dan spektrometer massa Bainbridge. C. Sifat Inti: Muatan, Massa, Ukuran, Momentum Sudut, Momen Magnetik, Momen Listrik. Sebuah inti dapat dianngap berbentuk bola dengan jari-jari tertentu, mempunyai massa dan muatan listrik. Selain itu, karena inti juga mempunyai momentum sudut, maka inti juga memiliki momen magnetik. Karena distribusi muatan inti juga kadang-kadang tidak simetris maka hal juga menimbulkan momen listrik. Sifat inti dapat dibedakan atas sifat yang tergantung waktu dan tidak tergantung waktu. Sifat inti yang tergantung waktu adalah : peluruhan radioaktif dan reaksi inti. 1. Muatan inti Inti atom terdiri atas proton dan neutron yang terikat bersama pada pusat atom. Secara kolektif, proton dan neutron tersebut disebut sebagai nukleon (partikel penyusun inti). Diameter inti atom berkisar antara 10−15 hingga 10−14m. Jari-jari inti diperkirakan sama dengan fm, dengan A adalah jumlah nukleon. Hal ini sangatlah kecil dibandingkan dengan jari-jari atom. Nukleon-nukleon tersebut terikat bersama oleh gaya tarik-menarik potensial yang disebut gaya kuat residual. Pada jarak lebih kecil daripada 2,5 fm, gaya ini lebih kuat daripada gaya elektrostatik yang menyebabkan proton saling tolak menolak. Stabilitas inti atom, dengan isotop unsur tertentu akan menjalankan peluruhan radioaktif. Atom dari unsur kimia yang sama memiliki jumlah proton yang sama, disebut nomor atom. Suatu unsur dapat memiliki jumlah neutron yang bervariasi. Dari pengukuran Moseley tahun 1913 yang mengukur spektrum sinar x diperoleh bahwa muatan inti besarnya adalah Ze, dimana Z adalah nomor atom dan e adalah muatan elektron yang besarnya adalah e = (4,80298 īą 0,00007) x 10-10 esu. 2. Massa inti Massa inti atom sangat kecil jika dinyatakan dengan satuan massa biasa, yaitu kurang dan 10.21 gram. Oleh karena itu harus dinyatakan dengan satuan yang berbeda. Satuan yang diakui secara universal adalah didasarkan pada massa atom 12 C yang berada dalam keadaan netral dan tingkat energi dasar. Satuan yang dimaksud adalah sma (satuan massa atom) atau amu (atomic mass unit). Massa atomik mengacu pada massa atom netral, bukan pada inti. Jadi massa elektron orbital dan massa ekivalen energi ikatnya termasuk dalam besaran massa atom. Hubungan antara massa inti atom dan massa atom adalah M (atom) = M (inti atom) + Z x M (elektron) + energi ikat elektron total 3. Ukuran inti Ukuran atom sangatlah kecil, sedemikian kecilnya lebar satu helai rambut dapat menampung sekitar 1 juta atom karbon. Satu tetes air pula mengandung sekitar 2 × 1021 atom oksigen. Intan satu karat dengan massa 2 × 10-4 kg mengandung sekitar 1022 atom karbon. Jika sebuah apel diperbesar sampai seukuran besarnya Bumi, maka atom dalam apel tersebut akan terlihat sebesar ukuran apel awal tersebut. Sampai sekarang belum ditemukan cara langsung untuk menentukan jari-jari inti. Pada umumnya ada dua cara yang digunakan untuk menentukan jari-jari inti, yaitu cara nuklir dan cara elektromagnetik. Jika inti dianggap bulat maka jari-jarinya R = r0 A1/3 (2.1) 4. Momentum sudut inti Bila partikel tersebut merupakan objek berputar klasik, kita akan memperkirakan distribusi spin vektor momentum sudutnya acak dan kontinu. Tiap partikel akan dibelokkan dengan gaya yang berbeda-beda, dan menghasilkan distribusi mulus di layar detektor. Namun pengamatan menunjukkan bahwa partikel yang melewati peralatan percobaan Stern-Gerlach dibelokkan ke atas atau ke bawah dalam jarak tertentu. Hasil ini menunjukkan momentum sudut spin terkuantisasi (hanya dapat mengambil nilai-nilai diskret), sehingga tidak ada distribusi kontinu dari momentum sudut yang mungkin. Bila percobaan ini dilakukan menggunakan partikel bermuatan seperti elektron, akan ada gaya Lorentz yang cenderung membengkokkan lintasan dalam bentuk lingkaran. Gaya ini dapat dilenyapkan menggunakan medan listrik dengan kekuatan yang sesuai, dengan orientasi tegak lurus terhadap arah partikel bermuatan tersebut. Adanya momentum sudut inti dapat ditunjukkan dari hyperfine-structure splitting (hfs). Menurut Pauli adanya hfs ini karena adanya gandengan antara momentum sudut inti dengan momentum sudut total elektron. 5. Momen magnetik inti Vektor momen magnetik inti adalah ī I īŊ g I lī N sedangkan panjang vektornya adalah (2.2) ī I īŊ g I l (l īĢ 1) ī N (2.3) dimana gI adalah factor g nuklir dan īN adalah magneton nuklir. 6. Momen Listrik Momen kuadrupol listrik pertama kali dideteksi oleh Schuler dan Schmidt pada tahun 1935, ketika mereka menerangkan hfs dari 151Eu dan 153Eu. Apabila distribusi muatan simetris bola, maka momen dipol listrik dan momen kuadrupol sama dengan nol, yang ada hanya monopol listrik saja. Pada umumnya inti-inti yang berbentuk tidak bulat (lonjong) hanya mempunyai momen kuadrupol listrik saja, sementara momen hexadecapol belum berhasil diukur. Dapat diturunkan bahwa momen kuadrupol listrik inti ialah Q = 4/5 ī¨ Z R2 (2.4) dan ī¨ = (b-a) R dan R = (b + a)/2 D. Massa Dan Skala Massa Massa atomik dinyatakan secara konvensional dalam satuan massa atom (sma) atau atomic massa unit (amu) ditulis dengan notasi u. Sebelum tahun 1960 ada dua standar satuan massa digunakan orang yaitu standar yang digunakan dalam fisika berdasar pada isotop O16 dan standar yang digunakan dalam kimia berdasar pada massa atom rata-rata elemen oksigen. Massa isotop yang tepat sekarang ditentukan dalam satuan massa atom dengan massa isotop C12 yang didefinisikan mempunyai harga 12 satuan massa atom. Jadi massa isotop sebuah atom C12 per definisi adalah 12 u. Dengan mengambil 1 Mol C12 mempunyai massa 12 kg dan memiliki jumlah atom sebanyak bilangan Avogadro yaitu 6,023 x 1026 kmol-1 diperoleh 1 u = 1,66042 x 10-27 kg Instrumen yang biasa dipakai untuk mengukur massa atomik disebut spectrometer massa atau spektrograf massa. Teknik pengukuran massa isotop makin sempurna dengan dikembangkannya spektrograf massa oleh Aston, Dempster, Bainbridge dan Nier. E. Spektrometer Massa Berikut ini cara kerja spektrograf massa yang diciptakan oleh Dempster. Sebuah ion positif yang massanya M dan muatannya q dihasilkan di dalam sumber yang berada dalam keadaan diam di dalam suatu ruang di dalam mana terjadi lucutan gas. Ion tersebut dipercepat dengan oleh perbedaan potensial V dan memasuki sebuah medan magnet B dengan kecepatan v. Di dalam medan magnet ion bergerak dalam lintasan setengah lingkaran dan menumbuk sebuah pelat fotografis pada jarak 2 R dari celah masuk, di mana R adalah jari-jari lintasan dan dicatat. Energi kinetik ion besarnya adalah ½ Mv2 = qV (2.5) Gaya magnet qvB yang bekerja pada ion merupakan gaya sentripetal pada gerak ion, qvB = Mv2/R (2.6) Dengan mengeliminasi v dari persamaan (2) diperoleh q/M = 2V/B2R2 (2.7) Dari persamaan (3) dapat dilihat bahwa jari-jari lintasan R hanya bergantung pada nilai q/M. 1. Spektrometer Massa Dempster Berikut ini cara kerja spektrograf massa yang diciptakan oleh Dempster seperti dapat dilihat pada Gambar 2.1. Sebuah ion positif yang massanya M dan muatannya q. Dihasilkan di dalam sumber S yang berada dalam keadaan diam di dalam suatu ruang di dalam mana terjadi lucutan gas. Ion tersebut dipercepat dengan oleh medan listrik E yang terdapat antara pelat P dan Q atau perbedaan potensial V dan memasuki sebuah medan magnet B melalui celah S1 dengan kecepatan v. Gambar 2.2 Skema spektrometer massa Demster. Di dalam medan magnet ion bergerak dalam lintasan setengah lingkaran dan memasuki celah S2 dan kemudian dideteksi oleh sebuah elektrometer, pada jarak 2 R dari celah masuk, di mana R adalah jari-jari lintasan. Sebuah layar D dipasang untuk memfokuskan berkas memasuki celah S2. Energi kinetik ion besarnya adalah : ½ Mv2 = qV Gaya magnet qvB yang bekerja pada ion merupakan gaya sentripetal pada gerak ion, qvB = Mv2/R q/M = 2V/B2R2 Dapat dilihat bahwa jari-jari lintasan R hanya bergantung pada nilai q/M. 2. Spektrometer Massa Bainbridge Spektrometer massa jenis lain adalah spektrometer massa yang dikembangkan oleh Bainbridge seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.2. Sebuah sumber ion menghasilkan berkas atom atau molekul terionisasi. Seringkali gas atau material yang sedang diselidiki ditembak dengan elektron untuk menghasilkan ion, atau ion dapat juga dihasilkan dari lucutan muatan listrik diantara sebuah elektroda. Peralatan berikutnya adalah selektor kecepatan terdiri dari medan listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus. Medan E memberikan gaya qE yang mengarah ke atas. Gaya magnet qvB mengarah ke bawah. Untuk ion yang tidak mengalami penyimpangan berarti kedua gaya saling menghapuskan, dimana Gambar 2.3 Skema spektrometer massa Bainbridge. qE īŊ qvB vīŊ E B Peralatan terakhir adalah suatu selektor momentum yang terdiri dari medan magnet serbasama yang akan membelokkan berkas ion dalam lintasan melingkar dengan jari-jari yang ditentukan oleh mv īŊ qBr rīŊ mv qB Karena q, B, dan v adalah konstan, masing-masing massa yang berbeda akan menghasilkan r lintasan yang berbeda. Massa dapat ditentukan dengan persamaan mīŊ qB 2 r E DAFTAR PUSTAKA Suryana,Y.dan A.Setiabudi .2009.Mudah dan Aktif Belajar Kimia1:Untuk Kelas X Sekolah Menengah Atas/Madrasah Pendidikan Nasional, Jakarta,p.226. Aliyah.Pusat Pembukuan, Departemen
