sifat inti atom

SIFAT-SIFAT INTI ATOM
Adanya inti atom pertama kali diketahui oleh Rutherford (1911), dari
eksperimen yang dilakukan oleh Geiger dan Marsden. Inti Atom berbentuk bola
dengan jejari tertentu, bermassa dan mempunyai momentum sudut dan momen
magnetik. Distribusi muatan dalam inti tidak simetris bola, hal ini menyebabkan
momen listrik.
A. Sifat Inti yang Tak Bergantung pada Waktu (time independent)
Sifat inti yang tak bergantung waktu, terbagi menjadi massa, jari-jari atau
radius, muatan, momentum sudut, momen magnetik dan momen listrik.
Penjelasannya sebagai berikut:
1) Massa
Menurut hipotesa Dalton (1803) atom-atom suatu unsur identik. Prout
(1815) menyatakan bahwa semua unsur tersusun atas hidrogen, dan
massanya dapat dinyatakan sebagai :
M ~ C MH
MH = massa hidrogen
C = bilangan bulat
Dari penyelidikan yang teliti, ternyata :
a) C bukanlah bilangan bulat, sehingga hipotesis Prout dianggap tidak
benar.
b) Crookes(1886) menyarankan kembali ide Prout. Alasan bahwa C
bukan bilangan bulat adalah karena suatu unsur mungkin terdiri
adalah karena suatu unsur mungkin terdiri dari beberapa campuran
(isotop). Contoh: Cl mempunyai berat atom 35,46 karena terdiri dari 3
isotop, masing-masing 34,35, dan 36.
c) Karena kemudian inti diketahui terdiri dari proton dan neutron, maka
dapat dituliskan:
M = Z(MH) + N (MN)
Z dan N adalah jumlah proton dan neutron di dalam inti, MN= massa
neutron Kelimpahan massa di alam telah tersusun dalam periodik
tabel:
2) Jari-Jari
Jari-jari inti belum bisa ditentukan/diukur secara langsung. Ada dua
metode, yaitu cara Nuklir dan cara Elekromagnetik. Jika diasumsikan inti
bulat (bola), maka jejarinya ditentukan dengan persamaan:
R = ro A1/3
ro ditentukan melalui eksperimen, yaitu:
a) Cara Nuklir
Cara ini diukur jari-jari gaya inti (nuclear force radius), yaitu jarak
dari pusat inti (core) ke jarak jangkauan gaya inti. Cara yang termasuk
metode ini yaitu:
Hamburan partikel alfa, diperoleh ro = 1,414 x 10-13 cm
Peluruhan alfa dengan hasil ro = 1,48 x 10-13 cm
Hamburan neutron cepat dengan hasil ro = 1,37 x 10-13 cm
b) Cara Elektromagnetik
Jari-jari yang diukur ialah jari-jari muatan inti. Percobaan yang
termasuk kategori ini adalah hamburan elektron, mesonik atom, inti
cermin (1H3, 3He3), hamburan proton dan pergeseran isotopik.
3) Muatan
Model atom Rutherford dapat menerangkannya melalui spektrum sinar-x
yang diukur oleh Moseley (1913). Dari data Moseley tersebut ternyata
muatan inti adalah Ze dan Z yang merupakan nomor atom, sedang e =
muatan elektron = 4,80298 x 10-10 esu = 1,602189 x 10-19 C.
4) Momentum Sudut
Momentum sudut suatu inti atom dapat ditunjukkan dari hyperfinestructure spliting garis-garis spektrum suatu atom. Pauli menerangkan
hyperfine-structure spliting ini dengan anggapan bahwa inti mempunyai
momentum sudut, sehingga terjadi gandengan antara momentum sudut
inti dengan momentum sudut total dari elektron. Sebagaimana yang telah
kita ketahui, inti terdiri dari A nukleon, yang masing-masing mempunyai
momentum sudut orbital dan spin. :
Jadi total vektor momentum sudut, apabila dipakai gandengan L S, ialah
I = J = ∑𝑘=1 𝐼𝑘 + ∑𝑘=1 𝑆𝑘
Panjang vektor momentum sudut inti: | I | = √𝐼 (𝐼 + 1)ℎ/2𝜋
I ialah bilangan kuantum momentum sudut total inti, atau biasa disebut
spin inti.
I = (l+s), (l+s-1),... |l-s|
Maka jumlah harga l yang mungkin:
(2s+1) untuk s < l
(2l+1) untuk l < s
5) Momen Magnetik
Di dalam inti atom nukleon-nukleon mengalami gerak orbital, baik proton
maupun neutron mempunyai momen magnetik. Untuk proton, momen
magnetik proton, Mp, dan momentum sudut orbital, Lp.
 e 
 Lp
M lp  
 2Mp 
6) Momen Listrik
Momen listrik inti pertama kali dijelaskan oleh Schuler dan Schmidt
(1935), pada hyperfine struktur Eu-151 dan Eu-153. Adanya momen
kuadrupol inti berarti menunjukkan distribusi inti tidak simetris bola.
Konsep multipol listrik dapat dijelaskan berdasarkan teori potensial
listrik.
B. Sifat Inti yang Bergantung pada Waktu (time dependent)
Sifat inti yang bergantung waktu, terbagi menjadi peluruhan radioaktif dan
reaksi inti.
a) Peluruhan Radioaktif
Peluruhan radioaktif merupakan sifat inti yang bergantung waktu
(dinamik), sifat dinamik lainnya dari suatu inti radioaktif adalah reaksi
inti. Baik peluruhan maupun reaksi inti menggambarkan transisi dari suatu
keadaan ke keadaan lain baik secara spontan (decay) maupun buatan
(reaksi). Laju peluruhan inti radioaktif disebut aktivitas. Semakin besar
aktivitasnya, semakin banyak inti atom yang meluruh per detik. Aktivitas
α hanya bergantung pada jumlah inti radioaktif N dalam cuplikan dan juga
pada probabilitas peluruhan λ.
……… (1)
Ketika cuplikan meluruh, jumlah intinya berkurang sebanyak N buah
lebih sedikit jumlah inti atom yang tertinggal. Jadi jumlah peluruhan per
detik makin lama makin berkurang. Semakin besar α, semakin banyak inti
atom yang meluruh tiap detiknya. Secara matematis dapat dituliskan:
…….. (2)
Dari persamaan 1 dan 2,
………. (3)
atau,
……….. (4)
Hasil integral dari persamaan 4 di atas adalah sebagai berikut.
……….. (5)
Persamaan
5
di
atas
merupakan hukum
peluruhan
radioaktif
eksponensial, yang memberi informasi bahwa jumlah inti radioaktif dalam
suatu cuplikan meluruh terhadap waktu. Pada kenyataannya agak sulit
dilakukan pengukuran N, sehingga kita dapat mengganti ungkapan
persamaan dalam bentuk lain dengan mengalikan kedua ruas dengan λ,
sehingga bentuk persamaan menjadi aktivitas.
………. (6)
Satuan dasar untuk mengukur aktivitas adalah curie.
1 curie (Ci) = 3,7 × 1010 peluruhan/detik
Pada peluruhan radioaktif juga dikenal istilah waktu paruh (t1/2), yakni
waktu yang diperlukan aktivitas untuk berkurang menjadi separuh
aktivitas awal.
………. (7)
Peluruhan dapat terjadi berkelanjutan yang disebut dengan rantai
peluruhan radioaktif. Peluruhan radioaktif ditandai dengan perubahan
nuklida menjadi nuklida baru yang disertai energi baik dalam bentuk
partikel-partikel inti ataupun foton. Inti mengalami peluruhan untuk
mencapai kondisi stabil.
Suatu inti dapat meluruh dengan lebih dari satu cara. Untuk kasus ini,
maka persamaan 5 dapat dimodifikasi menjadi,
………. (8)
Persamaan di atas menggambarkan inti yang meluruh menghasilkan inti
α dan β.
b) Reaksi Inti
Reaksi inti merupakan peristiwa perubahan suatu inti atom sehingga
berubah menjadi inti atom lain dengan disertai munculnya energi yang
sangat besar. Agar terjadi reaksi inti diperlukan partikel lain untuk
menggoyahkan kesetimbangan inti atom sehingga kesetimbangan inti
terganggu. Akibatnya inti akan terpecah menjadi dua inti yang baru.
Partikel yang digunakan untuk mengganggu kesetimbangan inti yaitu
partikel proton atau neutron. Di mana partikel proton atau neutron yang
berenergi ditembakkan pada inti target sehingga setelah reaksi terjadi
akan terbentuk inti atom yang baru disertai terbentuknya partikel yang
baru. Inti target dapat merupakan inti atom yang stabil, sehingga setelah
terjadi reaksi menyebabkan inti atom menjadi inti yang tidak stabil yang
kemudian disebut isotop radioaktif. Jadi reaksi inti dapat juga bertujuan
untuk mendapatkan isotop radioaktif yang berasal dari inti stabil. Reaksi
inti sangat berbeda dengan reaksi kimia, karena pada dasarnya reaksi
inti ini terjadi karena tumbukan (penembakan) inti sasaran (target) dengan
suatu proyektil (peluru).
Secara skematik reaksi inti dapat digambarkan :
Reaksi Inti
Contoh reaksi inti antara lain adalah 7N14 + 2He4 → 8O17 + 1H1 yaitu inti
atom Nitrogen ditembak dengan partikel (2He4) menjadi inti atom Oksigen
dengan disertai timbulnya proton (1H1), inti atom oksigen yang terbentuk
bersifat radioaktif. Reaksi inti dibedakan menjadi dua, yaitu reaksi
fisi dan reaksi fusi.
1. Reaksi Fisi
Reaksi fisi yaitu reaksi pembelahan inti atom berat menjadi dua inti
atom lain yang lebih ringan dengan disertai timbulnya energi yang
sangat besar. Misalnya inti atom uranium-235 ditembak dengan neutron
sehingga terbelah menjadi inti atom Xe-235 dan Sr-94 disertai dengan
timbulnya 2 neutron yang memiliki energi tinggi. Reaksinya dapat
dituliskan :
235
92U
+ 0n1 → 54Xe235 + 38Sr94 + 20n1 + Q
Dalam reaksi fisi yang terjadi akan dihasilkan energi kira-kira sebesar
234 Mev. Dalam reaksi fisi ini timbul -baru yang berenergi tinggi.
Neutron-neutron yang timbul akan menumbuk inti atom berat yang lain
sehingga akan menimbulkan reaksi fisi yang lain. Hal ini akan
berlangsung terus sehingga semakin lama semakin banyak reaksi inti
yang dihasilkan dan dalam sekejab dapat timbul energi yang sangat
besar. Peristiwa semacam ini disebut reaksi fisi berantai. Reaksi fisi
berantai yang tak terkendali akan menyebabkan timbulnya energi yang
sangat
besar
dalam
waktu
relatif
singkat,
sehingga
dapat
membahayakan kehidupan manusia. Reaksi berantai yang tak terkendali
terjadi pada Bom Atom. Energi yang timbul dari reaksi fisi yang
terkendali dapat dimanfaatkannya untuk kehidupan manusia. Reaksi fisi
terkendali yaitu reaksi fisi yang terjadi dalam reaktor nuklir (Reaktor
Atom). Di mana dalam reaktor nuklir neutron yang terbentuk ditangkap
dan
tingkat
energinya
diturunkan
sehingga
reaksi
fisi
dapat
dikendalikan.
Reaksi Fisi Dari Uranium
Pada umumnya untuk menangkap neutron yang terjadi, digunakan
logam
yang
mampu
logam Cadmium atau Boron.
menangkap
Pengaturan
neutron
populasi
neutron
yaitu
yang
mengadakan reaksi fisi dikendalikan oleh batang pengendali yang
terbuat dari batang logam Cadmium, yang diatur dengan jalan
memasukkan batang pengendali ke dalam teras-teras bahan bakar dalam
reaktor. Dalam reaktor atom, energi yang timbul kebanyakan adalah
energi panas, di mana energi panas yang timbul dalam reaktor ditransfer
keluar reaktor kemudian digunakan untuk menggerakkan generator,
sehingga diperoleh energi listrik.
2. Reaksi Fusi
Reaksi fusi yaitu reaksi penggabungan dua inti atom ringan menjadi
inti atom lain yang lebih berat dengan melepaskan energi.
Reaksi Fusi Dari Uranium
Misalnya penggabungan deutron dengan deutron menghasilkan triton
dan
proton
dilepaskan
energi
sebesar
kira-kira
4,03
MeV.
Penggabungan deutron dengan deutron menghasilkan inti He-3 dan
neutron dengan melepaskan energi sebesar 3,3 MeV. Penggabungan
triton dengan triton menghasilkan inti He-4 dengan melepaskan energi
sebesar 17,6 MeV, yang reaksi fusinya dapat dituliskan :
2
1H
+ 1H2 → 1H3 + 1H1 +4MeV
2
1H
+ 1H2 → 2He3 + 0n1 +3,3MeV
3
1H
+1 H3 → 2He4 + 0n1 + 17,6 MeV
Agar dapat terjadi reaksi fusi diperlukan temperatur yang sangat tinggi
sekitar 108 K, sehingga reaksi fusi disebut juga reaksi termonuklir.
Karena untuk bisa terjadi reaksi fusi diperlukan suhu yang sangat
tinggi, maka di matahari merupakan tempat berlangsungnya reaksi fusi.
Energi matahari yang sampai ke Bumi diduga merupakan hasil reaksi
fusi yang terjadi dalam matahari. Hal ini berdasarkan hasil pengamatan
bahwa matahari banyak mengandung hidrogen (1H1). Dengan reaksi
fusi berantai akan dihasilkan inti helium-4. Di mana reaksi dimulai
dengan penggabungan antardua atom hidrogen membentuk deutron,
selanjutnya antara deutron dengan deutron membentuk inti atom
helium-3 dan akhirnya dua inti atom helium-3 bergabung membentuk
inti atom helium -4 dan 2 atom hidrogen dengan melepaskan energi
total sekitar 26,7 MeV, yang reaksinya dapat dituliskan:
1
1H
+ 1H1 → 1H2 + 1e0 +Q1
2
1H
+ 1H2 → 2H3 + γ+Q2
3
2H
+ 2H3 → 2He4 + 2 1H1 + Q3
Reaksi tersebut dapat ditulis:
4 1H1 → 2He4 + 2 1e0 + Q