Fisika Inti I 2018 struktur atom

Nuclear physics
+
Particle physics
2012
1
What will this course cover
Nuclear physics
•Rutherford Scattering
•Electron scattering
•Nuclear binding energy
•Liquid drop model
•Nuclear shell model
•Alpha decay
•Beta decay
•Fission
Schematic diagram of Rutherford Scattering
http://en.wikipedia.org
What will this course cover
Nuclear physics
•Rutherford Scattering
•Electron scattering
•Nuclear binding energy
•Liquid drop model
•Nuclear shell model
•Alpha decay
•Beta decay
•Fission
What will this course cover
Nuclear physics
•Rutherford Scattering
•Electron scattering
•Nuclear binding energy
•Liquid drop model
•Nuclear shell model
•Alpha decay
•Beta decay
•Fission
http://library.thinkquest.org/
What will this course cover
Nuclear physics
•Rutherford Scattering
•Electron scattering
•Nuclear binding energy
•Liquid drop model
•Nuclear shell model
•Alpha decay
•Beta decay
•Fission
http://library.thinkquest.org/
What will this course cover
Nuclear physics
•Rutherford Scattering
•Electron scattering
•Nuclear binding energy
•Liquid drop model
•Nuclear shell model
•Alpha decay
•Beta decay
•Fission
Practical Applications
• Nuclear fission for energy generation.
– No greenhouse gases
– Safety and storage of radioactive material.
• Nuclear fusion
– No safety issue (not a bomb)
– Less radioactive material but still some.
• Nuclear transmutation of radioactive waste with neutrons.
– Turn long lived isotopes è stable or short lived.
• Every physicist should have an informed opinion on these important issues!
2012
10
*Slide by Tony Weidberg
Medical Applications
• Radiotherapy for cancer
– Kill cancer cells.
– Used for 100 years but can be improved by better delivery and dosimetery
– Heavy ion beams can give more localised energy deposition.
• Medical Imaging
– MRI (Nuclear magnetic resonance)
– X-­‐rays (better detectors è lower doses)
– Positron emission tomography (PET)
– Many others…see Medical & Environmental short option.
2012
11
*Slide by Tony Weidberg
Medical Applications
3He magnetic resonance i maging of the l ung
Non-smoker
Light smoker
Mainz University and University hospital Mainz, 1999
Other Applications
• Radioactive Dating
– C14/C12 gives ages for dead plants/animals/people.
– Rb/Sr gives age of earth as 4.5 Gigayear (1 Gigayear= 1×109 years).
• Element analysis
– Forenesic (eg date As in hair).
– Biology (eg elements in blood cells)
– Archaeology (eg provenance via isotope ratios).
2012
13
*Slide by Tony Weidberg
Model Atom
• Atom sebagai penyusun materi
• Perkembangan Gagasan Tentang Atom
• Filsuf Yunani, Empedocles (abad ke-­‐5 SM): ada empat bahan dasar penyusun alam yaitu: tanah, udara, api dan air.
• Demokritus (460-­‐370 SM): atom sebagai materi terkecil yang sedemikian kecilnya sehingga tidak dapat dibagi-­‐bagi lagi
• Percobaan John Dalton (1766-­‐1844). Menurut Dalton: atom merupakan partikel terkecil yang tidak dapat dibagi lagi. Atom-­‐atom suatu unsur semuanya serupa dan tidak dapat berubah menjadi unsur lain. Dua atom atau lebih yang berasal dari unsur-­‐unsur yang berlainan dapat membentuk molekul. • J.J Thomson-­‐1904: atom bukan partikel terkecil yang tidak dapat dibagi-­‐bagi lagi. Atom mempunyai bentuk seperti bola yang muatan positifnya terbagi merata ke seluruh isi atom. Muatan positif itu dinetralkan oleh elektron-­‐elektron bermuatan negatif yang tersebar di antara muatan positif.
pengujian Ernest Rutherford
• teori atom Thomson gugur oleh pengujian Ernest Rutherford. Pengujian itu dilakukan dengan cara menembaki lempengan emas yang sangat tipis dengan partikel alfa. Partikel alfa tadi ternyata tidak semuanya mampu menembus lempeng emas secara lurus. Ada beberapa diantaranya dibelokkan dan sebagian lagi dipantulkan kembali karena bertumbukan dengan bagian yang sangat keras dari atom, yang selanjutnya oleh Rutherford disebut inti atom. üAtom terdiri dari muatan positif dan negatif dimana semua muatan positif dan sebagian besar masa atom terkumpul pada suatu titik di tengah-­‐tengah bola atom yang disebut inti atom.
üInti atom dikelilingi oleh elektron-­‐elektron bermuatan negatif pada jarak yang relatif jauh, dimana elektron-­‐elektron berputar pada lintasan-­‐lintasan seperti planet yang bergerak mengelilingi matahari dalam sistem tata surya.
Kelemahan model atom Rutherford
• Kelemahan model atom yang dikemukakan Rutherford disempurnakan olehNiels Henrik David Bohr. • Bohr mengemukakan gagasannya tentang penggunaan tingkat energi elektron pada struktur atom. Model ini kemudian dikenal dengan model atom Rutherford-­‐Bohr. Tingkat energi elektron digunakan untuk menerangkan terjadinya spektrum atom yang dihasilkan oleh atom yang mengeluarkan energi berupa radiasi cahaya
• Teori Atom Bohr
• Pada tahun 1913, berdasarkan analisis spektrum atom dan teori
kuantum yang dikemukakan oleh Max Plank, Niels Bohr mengajukan model atom hidrogen, yaitu atom yang hanya
mengandung satu elektron. Menurut Bohr elektron beredar
mengitari intinya pada tingkat-­‐tingkat energi tertentu, bagaikan
planet-­‐planet mengitari matahari dan elektron dapat berpindah
dari tingkat energi satu ke tingkat energi yang lain.
• Model Atom Bohr mempunyai beberapa kelemahan:
• Teori atom Bohr hanya dapat menerangkan spektrum atom yang saderhana, misal Hidrogen, dan tidak dapat menerangkan yang lebih rumit (nomor atom > 1)
• Teori Bohr tidak dapat menjelaskan pengaruh medan magnet dalam atom hidrogen.
• Oleh karena itu, tidak mungkin membayangkan elektron beredar
mengitari inti menurut suatu orbit berbentuk lingkaran dengan
jari-­‐ jari tertentu.
• Kekurangan model atom Bohr disempurnakan dengan model Teori atom mekanika kuantum
• Teori Atom Mekanika Kuantum didasarkan pada dualisme
sifat elektron yaitu sebagai gelombang dan sebagai
partikel.
• de Broglie: cahaya dapat berperilaku sebagai materi dan
berperilaku sebagai gelombang (dualisme gelombang
partikel). • Heisenberg: tidak mungkin menentukan kecepatan dan
posisi elektron secara bersamaan, tetapi yang dapat
ditentukan hanyalah kebolehjadian menemukan elektron
pada jarak tertentu dari inti.
• Erwin Schrodinger: teori atom mekanika kuantum
”Kedudukan elektron dalam atom tidak dapat
ditentukan dengan pasti yang dapat ditentukan adalah
kemungkinan menemukna elektron sebagai fungsi jarak
dari inti atom”.
• Max Planck-­‐1900à teori kuantum : atom dapat memancarkan atau menyerap energi hanya dalam jumlah tertentu (kuanta). Jumlah energi yang dipancarkan/diserap dalam bentuk radiasi elektromagnetik disebut kuantum. E = energi radiasi (Joule = J)
h = konstanta Planck (6,63 x 10-­‐34 J.s)
c = cepat rambat cahaya di ruang hampa (3 x 108 m/s)
λ= panjang gelombang (m)
Teori Kuantum bisa menjelaskan terjadinya spektrum atom
percikan listrik masuk ke dalam tabung gelas yang mengandung gas hidrogen. Sinar yang keluar dari atom H (setelah melalui celah) masuk ke dalam prisma, sehingga sinar tersebut terbagi menjadi beberapa sinar yang membentuk garis spektrum gas hidrogen
• Model atom hidrogen ini disebut solar system (sistem tata surya), di mana elektron dalam atom mengelilingi inti pada suatu orbit dengan bentuk, ukuran, dan energi yang tetap. Semakin besar ukuran suatu orbit, semakin besar pula energi elektronnya. Keadaan ini dipengaruhi oleh adanya gaya tarik-­‐
menarik antara proton dan elektron. • Dengan menggunakan model atom hidrogen, Bohr menemukan persamaan energi elektron sebagai berikut.
A = 2,18 x 10-­‐18 J = 13,6 eV
N = bilangan yang menunjukkan orbit elektron (1, 2, 3, …, 8)
{Tanda negatif menunjukkan orbit mempunyai energi paling rendah (harga n = 1) dan paling tinggi (harga n = 8)}.
Spektrum atom
• Radiasi elektromagnetik dari atom dikelompokkan menjadi:
• Spektrum kontinyu
• Spektrum garis
Spektrum atom hidrogen
Kemudian ditemukan deret Lyman, Paschen, Bracket dan Pfund
Basic Nuclear Physics
Basic Atomic Structure
36
Atom
The atom is
composed of: Ø positively charged (+) protons, Ø uncharged neutrons and
Ø negatively charged (-­) electrons
38
Nucleus
Protons and neutrons together form the nucleus of the atom.
The nucleus determines the identity of the element and its atomic mass.
Proton and neutrons have essentially the same mass but only the proton is charged while the neutron has no charge.
39
Protons
Protons are positively charged particles found inside the nucleus of an atom. Each element has a unique atomic number (a unique number of protons). Proton number never changes for any given element. For example, oxygen has an atomic number of 8 indicating that oxygen always has 8 protons.
40
Neutrons
Neutrons are the other particle found in the nucleus of an atom. Unlike protons and electrons, however, neutrons carry no electrical charge and are thus "neutral."
Atoms of a given element do not always contain the same number of neutrons. 41
Electrons
Electrons are negatively charged particles that surround the nucleus in “orbits” similar to moons orbiting a planet. The sharing or exchange of electrons between atoms forms chemical bonds which is how new molecules and compounds are formed.
42
ELECTRON BINDING ENERGY
• Electrons exist in discrete “shells” around the nucleus (similar to planets around the sun)
• Each shell represents a unique binding energy holding the electron to the nucleus • The shells are designated by letters (K, L, M, N …) where K, the shell closest to the nucleus, has the largest binding energy, so the K electron is the most tightly bound
• Maximum number of electrons in each shell: 2 in K shell, 8 in L shell …
Summary of the Atom
Particle Symbol
Mass (kg)
Energy (MeV) Charge
Proton
p
1.672E-­27
938.2
+1
Neutron
n
1.675E-­27
939.2
0
Electron
e
0.911E-­30
0.511
-­1
Atomic Mass Unit (amu)
Where 1 amu is approximately equal to
1.6605 x 10-­24 grams
45
Atomic Mass Unit (amu)
The atomic mass of the proton and the neutron is approximately:
Proton = 1.6726 x 10-­24 grams = 1.0073 amu
Neutron = 1.6749 x 10-­24 grams = 1.0087 amu
Thus, the neutron is just a little heavier than the proton. Atomic Mass Unit (amu)
The difference in the mass of the neutron and the proton can be understood if we assume that the neutron is merely a proton combined with an electron forming a neutral particle slightly more massive than a proton alone.
47
Atomic Mass Unit (amu)
The atomic mass of the electron is approximately:
Electron = 9.1094 x 10-­28 grams = 0.00055 amu
Thus, the electron has a much smaller mass than either the proton or the neutron, 1837 times smaller or about 2000 times smaller. Elements
The number of protons in an atom dictate the element.
For an uncharged atom, the number of electrons equals the number of protons.
10 Most Abundant Elements
Element
Symbol
Protons
Relative % of Earth’s Mass
Oxygen
O
8
46.6
Silicon
Si
14
27.7
Aluminum
Al
13
8.1
Iron
Fe
26
5.0
Calcium
Ca
20
3.6
Sodium
Na
11
2.8
Potassium
K
19
2.6
Magnesium
Mg
12
2.1
Titanium
Ti
22
0.4
Hydrogen
H
1
0.1
50
Periodic Table of the Elements
In 1869, Russian chemist Dmitri Mendeleev first described an arrangement of the chemical elements now known as the periodic table. The periodic table displays all chemical elements systematically in order of increasing atomic number (the number of protons in the nucleus).
51
Periodic Table of the Elements
Lanthanide Series
Rare Earth
Elements
Actinide Series
52
53
Sample Element -­ Zirconium
Electron Shell Configuration:
40
Zr
Zirconium
91.2
K
L
M
N
O
1s-­2
2s-­2
3s-­2
4s-­2
5s-­2
2p-­6
3p-­6
4p-­6
3d-­10
4d-­ 2
2
8
18
10
2
10 + 18 + 12 = 40
K
L
M
N
O
54
Sample Element -­ Zirconium
Name: Symbol: Atomic Number: Atomic Mass: Melting Point: Boiling Point: No. of Protons/Electrons:
No. of Neutrons: Classification: Phase at Room Temperature:
Density @ 293 K: Color: Date of Discovery: Discoverer: Zirconium Zr
40 91.224 amu
1852.0 °C 4377.0 °C 40 51 Transition Metal
Solid 6.49 g/cm3
Grayish 1789 Martin Klaproth
55
Isotopes
Atoms of an element that have a different number of neutrons in the nucleus are called isotopes of each other.
isotope notation typically written as: A Xy
Z
Xy = element symbol
A = atomic mass (neutron + protons)
Z = atomic number (protons)
56
Isotopes
The number of protons and electrons remain the same. But the number of neutrons varies.
57
Isotopes
equal number of protons and neutrons
There are many isotopes. Most have more neutrons than protons. Some are stable but most are unstable (radioactive). 58
The Line of Stability
N>Z
59
Nuclear Stability
Ø For the heaviest stable nuclei, N is about 1.5 times Z
Ø The presence of the extra neutrons overcomes the positively charged protons’ tendency to repel each other and disrupt the nucleus
Ø The nucleus is held together by a poorly understood force, the Nuclear Force
60
Unstable Nuclei
Ø Nuclei which do not fall on the line of stability tend to be unstable or “radioactive”
Ø They are called “radionuclides”
Ø A few radionuclides do fall on the line of stability but their rate of decay is so slow that for all practical purposes they are stable
61
Unstable Nuclei
Ø Radionuclides undergo a process called radioactive transformation or disintegration
Ø In this process, the nucleus emits particles to adjust its neutron (N) to proton (Z) ratio Ø This change in the N to Z ratio tends to move the radionuclide toward the line of stability
62
Some Common Radionuclides
ØNaturally occurring 235U and 238U
Ø 60Co, 137Cs, 90Sr found in nuclear power plants
Ø 192Ir used in radiography Ø 99mTc used in nuclear medicine
Ø 131I used in treatment of thyroid conditions
63
PR I
1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan ilmu Fisika
dan mengapa perlu dipelajari
2. Jelaskan apa yang dimaksud dengan Fisika Inti dan
mengapa perlu dipelajari
3. Jelaskan secara kualitatif bagaimana kegagalan
model proton-­‐elektron
4. Jelaskan bagaimana neutron ditemukan yang
menyebabkan kegagalan model proton-­‐elektron
Fat-­‐man
Designer
Los Alamos Laboratory
Produced
1945–1949
Number built
120
Specifications
Weight
10,300 pounds (4,670 kg)
Length
128 inches (3.3 m)
Diameter
60 inches (1.5 m)
Filling
Filling weight
Plutonium
14 pounds (6.4 kg)