MAKALAH FISIKA MODERN ATOM INTI Kelompok : VI (Enam) Anggota Kel : 1. Arni Alawiyah (A1C316057) 2. Fangesti Lucky Andriyani (A1C316049) 3. Rasta Fanny (A1C316044) 4. Qori Naili Zahrotul Fuada (A1C316027) 5. Wardhani Fatikasari (A1C316011) Dosen Pengampu : Alrizal ,S.Pd, M.Si Program Studi Pendidikan Fisika Jurusan Pendidikan Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Fakultas Keguruan Ilmu Pendidikan Universitas Jambi 2017 Kata Pengantar Puji syukur kehadirat Allah SWT penguasa alam semesta yang telah memberikan Rahmat dan Hidayah-Nya sehingga kami dapat beraktivitas untuk menyusun dan menyelesaikan makalah yang berjudul “ATOM INTI “ ini. Penyusunan makalah ini bertujuan untuk memenuhi tugas mata kuliah Fisika Modern serta dapat memahami tentang Nuclear Atom atau Atom Nuklir. Kami sampaikan terima kasih kepada semua pihak yang telah berperan serta membantu dan mendukung kami dalam penyusunan makalah ini dari awal sampai akhir. Semoga Tuhan Yang Maha Esa senantiasa meridhoi segala usaha kita. Aamiin.. Kami menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu kritik dan saran dari semua pihak yang bersifat membangun selalu kami harapkan demi kesempurnaan makalah ini di masa yang akan datang. Dan akhirnya semoga makalah ini bermanfaat bagi kita semua terutama bagi pembaca. Terima kasih Jambi, 17 Novemberr 2017 Penyusun ii Contents Kata Pengantar .................................................................................................................... ii BAB I .................................................................................................................................. 1 PENDAHULUAN .............................................................................................................. 1 1.1 Latar Belakang .......................................................................................................... 1 1.2 Rumusan Masalah ..................................................................................................... 1 1.3 Tujuan ....................................................................................................................... 1 1.4 Manfaat ..................................................................................................................... 1 BAB II................................................................................................................................. 4 PEMBAHASAN ................................................................................................................. 4 2.1 Atom Inti ................................................................................................................... 4 2.2 Persamaan Hamburan Rutherford ............................................................................. 5 2.3 Dimensi Inti .............................................................................................................. 5 BAB III ............................................................................................................................. 10 PENUTUP ........................................................................................................................ 10 3.1 Kesimpulan ............................................................................................................. 10 3.2 Saran ....................................................................................................................... 10 Lampiran Jawaban ............................................................................................................ 10 Daftar Pustaka .....................................................................................................................iv iii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Konsep atom pertama kali dikenal melalui literatur Yunani kuno dengan nama atomos yang artinya tidak dapat dibagi-bagi lagi. J. J. Thompson melakukan percobaan dengan menggunakan tabung lucutan yang menghasilkan sinar katoda. Sinar ini ternyata bermuatan listrik karena dapat dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet. Jenis muatan sinar katoda ini adalah negatif yang selanjutnya disebut sebagai elektron. Thompson memperkirakan bahwa elektron ini sebagai partikel elementer penyusun atom. Elektron merupakan partikel sub atomik pertama yang dikenal manusia. Berdasarkan penemuan ini, Thompson mengajukan sebuah model atom untuk menjelaskan hasil-hasil eksperimen maupun prediksi teoritis yang muncul saat itu dengan nama model kue kismis. Atom dipandang sebagai sebuah bola bermuatan positif yang dinetralisir oleh elektron-elektron yang tersebar merata di seluruh volume bola. Hasil penelitian Rutherford sekaligus menggantikan model atom Thomson, Rutherford mengajukakan model atom yang menyatakan bahwa atom tersusun dari inti yang bermuatan positif dikelilingi oleh elektron-elektron yang bermuatan negatif, seperti planet mengelilingi matahari. Massa atom terpusat pada inti dan sebagian besar volum atom merupakan ruang hampa/kosong. Karena atom bersifat netral, maka jumlah muatan positif dalam inti (proton) harus sama dengan jumlah elektron. Rutherford dapat menjelaskan penghamburan sinar alfa dengan mengajukan gagasan tentang inti atom. Menerut Rutherford, sebagian besar dari massa dan muatan positif atom terkonsentrasi pada bagian pusat atom yang selanjutnya disebut inti atom. Elektron beredar mengitari inti pada jarak yang relatif sangat jauh. Lintasan elektron itu disebut kulit atom. 1 2 1.2 Rumusan Masalah Masalah-masalah yang dapat dirumuskan yaitu : 1. Apa itu Atom serta konsep Atom itu ? 2. Bagaimana model Atom J.J Thomson dan Rutherford ? 3. Bagaimana percobaan terhadap sinar alfa ? 4. Jelaskan persamaan hamburan Rutherford ! 5. Bagaimana Dimensi inti nuklir ? 6. Jelaskan persamaan Energi Kinetik partikel alfa ! 1.3 Tujuan Tujuan dari penyusunan makalah ini , yakni : 1. Dapat memahami materi tentang Atom serta konsep dari Atom tersebut. 2. Dapat mengetahui model Atom yang ditunjukkan oleh J.J Thomson dan Rutherford serta mengetahui perbedaan dari kedua model Atom tersebut. 3. Dapat menjelaskan bagaimana cara sinar alfa itu terhambur dalam bidang hamburan dengan penampang dengan luas yang besar atau kecil. 4. Dapat menjelaskan bagaimana persamaan hamburan dari percobaan Rutherford. 5. Dapat memahami tentang dimensi inti nuklir pada hamburan Rutherford. 6. Dapat menjelaskan bagaimana EK maksimum dan minimum dari hamburan patikel alfa Rutherford. 1.4 Manfaat Dengan penyusunan makalah ini kita semua dapat memahami bagaimana atom nuklir itu, bagaimana model-model atom yang telah diperlihatkan oleh para ilmuwan. Dengan ini kita dapat menjelaskan tentang proses hamburan sinar partikel alfa Rutherford, kita juga dapat menghitung berapa banyak hamburan yang terbentuk sesuai dengan persamaan Hamburan Rutherford. Selain itu kita dapat memahami tentang dimensi inti nuklir, dapat menghitung jarak pendekatan terpendek pada sinar partikel alfa hamburan serta mengetahui cara menghitung 2 energy kinetic maksimum dan minimum suatu partikel dalam melakukan hamburan dengan persamaan yang telah ditentukan. BAB II PEMBAHASAN 2.1 Atom Inti Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson adalah seorang fisikawan kelahiran Selandia Baru berkebangsaan Inggris yang bekerja sama dengan J.J. Thomson meneliti atom di Universitas Cambridge. Rutherford berhasil menangkap adanya nukleus di dalam atom. Dengan dukungan dari Frederick Soddy, ia mengemukakan bahwa radioaktivitas berasal dari peluruhan atom-atom. Ia adalah orang pertama yang berhasil melakukan pembelahan atom di dalam laboratorium. Atas penelitiannya pada berbagai tipe radiasi, ia dinobatkan sebagai peraih hadiah Nobel Kimia pada tahun 1908. Ia kemudian dikenal sebagai bapak fisika nuklir. Dalam karya awal ia menemukan konsep radioaktif paruh, membuktikan bahwa radioaktivitas melibatkan transmutasi satu unsur kimia yang lain, dan juga dibedakan dan dinamai alpha dan radiasi beta. Ini adalah dasar untuk Hadiah Nobel dalam Kimia ia dianugerahi pada tahun 1908 "untuk investigasinya ke disintegrasi unsur-unsur, dan kimia zat radioaktif". Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson Lahir pada 30 Agustus 1871 di Spring Grove, Brightwater, Selandia Baru. Ia adalah anak dari pasangan James Rutherford, seorang petani, dan Martha Thompson, berasal dari Hornchurch, Ess3x,Inggris. Rutherford belajar di Havelock School dan kemudian Nelson Collage dan memenangkan beasiswa untuk belajar di Cantebury Collage, Universitas di Selandia Baru, di sana ia menjadi presiden dari debating society. Setelah mendapatkan gelar BA, MA, dan BSc dan melakukan penelitian dua tahun di garis depan teknologi listrik, pada tahun 1895 Rutherford melakukan perjalanan ke Inggris untuk studi pascasarjana di Laboratorium Cavendish, Universitas Cambridge (1895-1898). Selama penyelidikan radioaktivits ia menciptakan istilah alpha dan beta pada 1899 untuk menggambarkan dua jenis radiasi yang dipancarkan oleh thorium dan uranium. Sinar ini dibedakan berdasarkan daya tembus. 3 4 Pada tahun 1898 Rutherford ditunjuk untuk kepala bidang fisika di McGill Universitas di Montreal, Kanada, dan mendapatkan penghargaan Nobel pada Bidang Kimia pada tahun 1908. Pada tahun 1900 ia memperoleh DSc dari Universitas New Zealand, dan 1900-1903 ia bergabung di McGill dengan Frederick Soddy (Nobel Kimia, 1921) dan mereka bekerja sama penelitian dalam transmutasi dari unsur-unsur. Rutherford telah menunjukkan bahwa radioaktivitas adalah disintegrasi spontan atom. Pada tahun 1900 ia menikah dengan Mary Georgina Newton (1876-1945); mereka punya satu putri, Eileen Mary (1901-1930), yang menikah dengan Ralph Fowler. Pada tahun 1903, Rutherford menyadari bahwa jenis radiasi dari radium ditemukan (tapi tidak disebutkan) oleh kimiawan Perancis Paul Vilard pada tahun 1900, yang sifatnya berbeda dari sinar alfa dan sinar beta, karena mempunyai daya tembus yang sangat jauh lebih besar. Rutherford menamakannya sebagai sinar gamma. Pada tahun 1907 Rutherford belajar fisika di Universitas Manchester. Disana bersama dengan Hans Geiger dan Ernest Marsden, dia melaksanakan percobaan pada tahun 1909, yang menunjukkan sifat nuklir atom. Percobaan tersebut adalah interpretasi dari percobaan ini yang membawanya untuk merumuskan model atom Rutherford pada tahun 1911 yang menyatakan bahwa terdapat partikel bermuatan negatif yang mengelilingi inti atom yang disebut elektron. Pada tahun 1919 ia menjadi orang pertama untuk mengubah satu unsur menjadi unsur lain, yakni nitrogen menjadi oksigen melalui reaksi nuklir 14 N + α → 17 O + p. Dia mendapatkan gelar bangsawan pada tahun 1914. Pada 1916 ia dianugerahi Medali Hector Memorial. Pada tahun 1919 ia kembali ke Cavendish sebagai Direktur. Pada tahun 1931 mendapatkan Baron Rutherford of Nelson, dari Cambridge di daerah Cambridge, gelar yang menghilang setelah kematian tak terduga di rumah sakit setelah operasi hernia 5 umbilikalis (1937). Setelah kematiannya, ia dihormati dengan dikebumikan di Westminter Abbey bersama dengan J.J. Thomson dan Sir Isaac Newton (ilmuwan terbesar dari Britania Raya). Unsur kimia Rutherfordium (unsur 104) diberi nama seperti namanya pada tahun 1997. Rutherford bersama dua orang muridnya (Hans Geigerdan Erners Masreden) melakukan percobaan yang dikenal dengan hamburan sinar alfa (λ) terhadap lempeng tipis emas. Sebelumya telah ditemukan adanya partikel alfa, yaitu partikel yang bermuatan positif dan bergerak lurus, berdaya tembus besar sehingga dapat menembus lembaran tipis kertas. Percobaan tersebut sebenarnya bertujuan untuk menguji pendapat Thomson, yakni apakah atom itu betul-betul merupakan bola pejal yang positif yang bila dikenai partikel alfa akan dipantulkan atau dibelokkan. Dari pengamatan mereka, didapatkan fakta bahwa apabila partikel alfa ditembakkan pada lempeng emas yang sangat tipis, maka sebagian besar partikel alfa diteruskan (ada penyimpangan sudut kurang dari 1°), tetapi dari pengamatan Marsden diperoleh fakta bahwa satu diantara 20.000 partikel alfa akan membelok sudut 90° bahkan lebih. Berdasarkan gejala-gejala yang terjadi, diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Atom bukan merupakan bola pejal, karena hampir semua partikel alfa diteruskan. 6 2. Jika lempeng emas tersebut dianggap sebagai satu lapisan atom-atom emas, maka didalam atom emas terdapat partikel yang sangat kecil yang bermuatan positif. 3. Partikel tersebut merupakan partikel yang menyusun suatu inti atom, berdasarkan fakta bahwa 1 dari 20.000 partikel alfa akan dibelokkan. Bila perbandingan 1:20.000 merupakan perbandingan diameter, maka didapatkan ukuran inti atom kira-kira 10.000 lebih kecil daripada ukuran atom keseluruhan. Untuk memahami percobaan Rutherford, lihatlah gambar di bawah; Penjelasan Percobaan Rutherford 1. : Sebagian besar partikel sinar alfa dapat tembus karena melalui daerah hampa. Daerah hampa tidak termasuk elektron karena elektron berada dikulit Atom. Sehingga jika partikel sinar alfa terkena elektron tidak akan terpantul melainkan akan terus tembus karena elekron bermuatan negatif sedangkan sinar alfa bermuatan positif seperti layaknya magnet. 4 2. Partikel alfa yang mendekati inti atom dibelokkan karena mengalami gaya tolak inti. Perlu kita ingat bahwa sinar alfa bermuatan positif. Gaya tolak inti bisa terjadi memiliki muatan sama. yaitu sinar alfa bermuatan positif 6 7 dan inti bermuatan positif sehingga partikel alfa ditolak oleh inti seperti layaknya magnet. 3. Partikel alfa yang menuju inti atom dipantulkan. Kemungkinannya inti atom sangatlah padat sehingga membuat partikel alfa memantul karena partikel alfa mempunyai sinar yang besar seperti layaknya senter yang kita sodorkan ke benda berkilau, benda berkilau akan memantulkan cahayanya. Rutherford menemukan adanya partikel alfa terpantul pada penembakan lempeng emas dengan sinar alfa. Sehingga Rutherford berpikir bahwa partikel alfa yang terpantul itu pastilah telah menabrak sesuatu yang sangat padat dalam atom. dan ini membuat Model Thomson sebagian tertolak karena Thomson mengemukakan di mana atom digambarkan bersifat homogen pada seluruh bagiannya. Dengan kata lain hanya elektron saja tidak ada penghuni lain di dalamnya. Tetapi kenyataanya Rutherford mendapatkan ada partikel yang sangat padat disana sehingga Model Atom Thomson sebagian tertolak. Pada tahun 1911, Rutherford dapat menjelaskan penghamburan sinar alfa dengan mengajukan gagasan tentang inti atom. Menurut Rutherford, sebagian besar dari massa dan muatan positif atom terkonsentrasi pada bagian pusat atom yang selanjutnya disebut inti atom. Jarak dari inti hingga kulit atom disebut jarijari atom. Ukuran jari-jari atom adalah sekitar 10^8 cm, sedangkan jari-jari inti atom adalah sekitar 10^13 cm. Jadi, sebagian besar dari atom merupakan ruang hampa. Bila diameter inti diibaratkan 1 cm, maka penampang atom ibarat lapangan bulat dengan diameter 1 km. 8 2.2 Persamaan Hamburan Rutherford Kita mengingat bahwa semua partikel alfa yang mendekati inti target dengan parameter dampak dari yang akan dihamburkan dengan sudut ѳ atau lebih, dengan ѳ dinyatakan dalam persamaan : = b (2.1) Ini berarti bahwa partikel alfa yang mula-mula berarah sedemikian sehingga berada dalam bidang seluas πb² sekitar inti akan dihambur dengan sudut ѳ atau lebih. Bidang seluas πb² biasa disebut penampang hamburan interaksi tersebut. Lambang yang biasa dipakai untuk penampang hamburan ialah σ, sehingga : (2.2) Setiap partikel yang datang masuk dalam bidang hamburan akan berinteraksi dengan inti target. Jadi lebih luas penampangnya, lebih besar peluangnya untuk berinteraksi. Penampang interaksi sebuah partikel target bervariasi dengan sifat proses yang terlibat dan dengan energy partikel datang. Penampang bisa lebih besar atau lebih kecil dari penampang geometris itu. Banyaknya inti target per satuan luas ialah nt, dan berkas partikel alfa yang pada bidang seluas A akan berinteraksi dengan ntA inti. Penampang hamburan 9 kumpulan untuk sudut ѳ atau lebih sama dengan banyaknya inti target ntA dikalikan dengan penampang σ untuk hamburan seperti itu per inti atau sama dengan ntAσ. Jadi besar fraksi f dari banyaknya partikel alfa yang dating yang dihambur dengan sudut ѳ atau lebih merupakan rasio antara penampang kumpulan ntAσ untuk hamburan seperti itu dan luas target total A. Ini berarti : = = = Substitusikan b ke persamaan (2.1) cot² (2.3) Gambar 4.5 Dalam eksperimen Rutherford, partikel yang dideteksi telah dihambur dengan sudut antara ѳ dan ѳ + dѳ Dalam eksperimen yang sebenarnya, detector mencatat partikel yang terhambur antara sudut ѳ dan ѳ + dѳ seperti pada gambar (4.5). Fraksi jumlah partikel alfa yang terhambur seperti itu diperoleh dengan mendiferensiasi persamaan (2.3) terhadap ѳ, menghasilka 10 2 cot csc² (2.4) Tanda minus menyatakan fakta bahwa f menurun jika ѳ bertambah besar. Dalam eksperimen ini, layar fluoresen ditempatkan pada jarak r dari selaput , dan partikel alfa yang dihamburkan dideteksi melalui kelipan (skintilasi) yang ditimbulkannya. Partikel alfa yang terhambur antar sudut ѳ dan ѳ + dѳ mencapai daerah bola berjari-jari r yang tebalnya ialah rdѳ . jari-jari daerah itu ialah sin ѳ , sehingga bidang seluas dS dari layar yang ditubruk partikel ini ialah : = = cos dѳ Jika sebanyak Ni partikel alfa menumbuk selaput selama partikel ini berlangsung , bnayaknya pertikel yang terhambur kedalam sudut dѳ pada sudut ѳ ialah Ni df . Banyaknya N (ѳ) per satuan luas yang sampai ke layar pada sudut ѳ yang merupakan kuantitas yang terukur ialah = sin cos cot (2.5) Persamaan diatas merupakan Rumus Hamburan Rutherford. 2.3 Dimensi Inti Berdasarkan pada gambar (4.4) dikatakan bahwa eksperimental hamburan partikel alfa oleh selaput tipis membuktikan bahwa inti atomic merupakan partikel titik, arti yang sebenarnya ialah dimensi inti dpat diabaikan terhadap jarak minimum yang dipakai untuk mendekatiinti oleh partikel alfa. Jadi hamburan Rutherford mengizinkan untuk menentukan batas dimensi inti. Jarak pendekatan terpendek r0 dari sebagian besar partikel alfa yang energitik yang dipakai pada eksperimen terdahulu. Partikel alfa akan mempunyai 11 r0 terkecil jika mendekati inti bertatapan (head-on) yang akan diikuti dengan hamburan 180º. Pada saat pendekatan terpendek energy kinetic awal K dari partikel seluruhnya diubah menjadi energy potensial listrik, sehingga pada saat itu Karena muatan partikel alfa 2e dan muatan inti Ze. Jadi persamaan jarak pendekatan terpendek : (2.6) Harga K maksimum yang didapati pada partikel alfa secara ilmiah ialah 7,7 MeV yaitu sama dengan 1,2 x 10-12 J. Karena 1/4 1 N m² ² 1 1 1 = 9 x 109 N.m²/C² ² = = Bilangan atomic emas untuk selaput emas yang biasa dipakai ialah Z = 79, sehingga Jadi, jari-jari inti emas kurang dari , lebih kecil dari 1/10.000 jari- jari atom secara keseluruhan. Dalam tahun akhir-akhir ini partikel dengan energy jauh lebih besar dari 7,7 MeV telah diperoleh dengan percepatan secara artificial , dan telah didapatkan bahwa rumus hamburan Rutherford tidak gagal dicocokkan dengan hasil eksperimen. BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan Rutherford berhasil menangkap adanya nukleus di dalam atom. Dengan dukungan dari Frederick Soddy, ia mengemukakan bahwa radioaktivitas berasal dari peluruhan atom-atom. Rutherford bersama dua orang muridnya (Hans Geigerdan Erners Masreden) melakukan percobaan yang dikenal dengan hamburan sinar alfa (λ) terhadap lempeng tipis emas. Sebelumya telah ditemukan adanya partikel alfa, yaitu partikel yang bermuatan positif dan bergerak lurus, berdaya tembus besar sehingga dapat menembus lembaran tipis kertas. Percobaan tersebut sebenarnya bertujuan untuk menguji pendapat Thomson, yakni apakah atom itu betul-betul merupakan bola pejal yang positif yang bila dikenai partikel alfa akan dipantulkan atau dibelokkan. Setiap partikel yang datang masuk dalam bidang hamburan akan berinteraksi dengan inti target. Jadi lebih luas penampangnya, lebih besar peluangnya untuk berinteraksi. Penampang interaksi sebuah partikel target bervariasi dengan sifat proses yang terlibat dan dengan energy partikel datang. Penampang bisa lebih besar atau lebih kecil dari penampang geometris itu. Eksperimental hamburan partikel alfa oleh selaput tipis membuktikan bahwa inti atomic merupakan partikel titik, arti yang sebenarnya ialah dimensi inti dpat diabaikan terhadap jarak minimum yang dipakai untuk mendekati inti oleh partikel alfa. Jadi hamburan Rutherford mengizinkan untuk menentukan batas dimensi inti. Jarak pendekatan terpendek r0 dari sebagian besar partikel alfa yang energitik yang dipakai pada eksperimen terdahulu. Partikel alfa akan mempunyai r0 terkecil jika mendekati inti bertatapan (head-on) yang akan diikuti dengan hamburan 180º. Pada saat pendekatan terpendek energy kinetic awal K dari partikel seluruhnya diubah menjadi energy potensial listrik 12 13 3.2 Saran Materi Atom dengan struktur sangat penting untuk dipelajari, kami berharap kita dapat memahami secara keseluruhan segala tentang atom. Begitu pula dengan partikel-partikel disekeliling kita, seperti partikel alfa, partikel sinar beta dan sinar gamma. Kita diharapkan mampu mengetahui bagaimana proses hamburan pada setiap partikel sesuai dengan teori yang telah dijelaskan oleh Rutherford. Dengan demikian kami berharap agar kita dapat mengetahui serta memahami bagaimana atom nuklir, proses hamburan pada partikel serta dimensi inti dari nuklir. Dapat memahami proses penurunan persamaan dari Hamburan Rutherford serta Energi Kinetik pada proses hamburan yang berubah menjadi Energi Potensial Listrik akibat proses pendekatan terpendek Lampiran Jawaban 1. 2. Sebagian besar partikel-partikel alfa itu melewati gas dan selaput tipis logam tanpa mengalami pembelokkan. Kesimpulan tentang struktur atomik apakah yang dapat ditarik dari pengamatan ini? 14 Jawab: Saat sinar alfa jauh dengan inti atom, maka sinar alfa akan lurus. Saat sinar alfa sejajar dengan inti atom, cahaya akan dipantulkan kembali, sebaliknya jika sinar alda mendekati inti atom akan terjadi pembelokkan. Maka, pembelokkan cahaya itu tidak akan terjadi saat sinar alda jauh dari inti atom dan sejajar dengan inti atom. 14 Daftar Pustaka Beiser, Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern edisi keempat. Jakarta : Erlangga Mairing MP, Hendra Prihatnadi. 2009. Tinjauan Bahan Moderator Untuk Komponen Reaktor Nuklir. Jurnal Perangkat Nuklir ISSN 1978-3515 Vol 3 No 5 Hodgson, E. Gadioli, E. Gadioli Erba. 2000. Introductory Nuclear Physics . New York : Oxford U. P iv