Fisika Inti

Konsep dasar fisika inti
Konsep dasar fisika inti.
Daftar Isi

Asal-usul Fisika Inti

Mengapa fisika inti? Situasi ini sudah dipaparkan pada pembahasan tentang fenomena kuantum, telah disadari mengapa tercapai pada pembahasan mengenai atom.

Dan sekarang, kita bakal ngebahas serba-serbi tentang atom, partikel yang mengisi alam semesta ini mulai dari benda mati hingga makhluk hidup. Tapi kita gak bakal ngebahas mengapa ada yang hidup dan ada yang non-hidup.

Kalau kita bicara atom, sejatinya pemahaman tentang partikel ini sudah beberapa kali mengalami perubahan. Mulai dari anggapan bahwa atom merupakan elemen terkecil hingga model kuantum. Yakni model di mana kita tidak dapat mengetahui lokasi subpartikel di dalam sebuah atom.

Dimulai tahun 1803, John Datlon, seorang fisikawan asal Inggris mengusulkan bahwa atom merupakan elemen yang tidak bisa dibagi lagi. Yaitu di mana wujud atom dianggap berbentuk bola pejal.

Satu abad berikutnya di tahun 1904, kemudian seperti yang telah dijelaskan di pembahasan medan magnet, J.J. Thomson pada eksperimennya menggunakan tabung sinar katoda, mengungkap bahwa ada partikel yang rasio massanya lebih kecil ketimbang atom, yaitu elektron.

Model ini berasumsi bahwa elektron tersebar di dalam atom yang berbentuk bola pejal secara acak dan tidak bergerak. Dan lapisan atom sendiri dianggap memiliki muatan positif.

Tujuh tahun berselang pada tahun 1911, Ernest Rutherford bersama asistennya, Hans Geiger dan Ernest Marsden. Dua orang ini jarang disebut nih, tapi sekarang kita sebut berkat kontribusinya. Jadi mereka melakukan eksperimen dengan mengemisikan sinar \alpha yang ditembakkan pada lembaran tipis(foil) emas, dan hasilnya mengejutkan.

Percobaan Rutherford dengan menembakkan sinar alpha pada lembaran emas

Kalau atom merupakan bola pejal, seharusnya cahaya yang ditembakkan secara ideal akan terpantulkan kembali, namun kenyataanya beda. Ada penghamburan cahaya, sehingga Rutherford mengusulkan bahwa atom tidak padat, alias ada ruang kosong di sekitarnya suatu partikel bermuatan positif. Dan bentuknya menyerupai sistem tata surya, di mana inti atom ditengah dan elektron mengelilinginya.

Inti atom mulai dikenal semenjak itu, kemudian model ini dikembangkan oleh Niels Bohr, fisikawan asal Denmark. Beliau menjelaskan bahwa elektron bergerak pada orbitnya dengan ukuran orbit yang tetap.

Urutan orbit berdasarkan dekat dan jauhnya inti atom, menentukan energi yang dimiliki elektron, semakin dekat semakin kecil energinya. Selain itu prinsip kuantisasi energi juga berasal dari pengamatan Bohr.

Model atom dengan elektron mengorbit inti atom

Dan pada tahun 1926, Erwin Schrodinger mengembangkan teori bahwa, kita tidak dapat mengetahui pasti lokasi elektron. Yang berarti elektron tidak mengelilingi inti atom pada suatu orbit, alias elektron bergerak acak.

Model atom kuantum di mana posisi elektron tidak dapat diketahui

Defek Massa

Kilas balik pada eksperimen yang dilakukan oleh Rutherford, disamping penghamburan ada juga pemantulan sinar \alpha yang mana bermuatan positif. Pemantulan yang teradi menjadi salah satu faktor penentu bahwa ada inti atom.

Karena sinar \alpha juga bermuatan positif, pemantulan yang terjadi membawa pada suatu ide (mengingat pada elektrostatika partikel bermuatan sama saling tolak menolak) bahwa inti tersebut bermuatan positif, yang dinamakan proton. Besar proton juga seperti elektron e hanya saja bernilai positif.

Jumlah proton setara dengan besar muatan positif dari atom, dengan itu bisa ditentukan massa atomnya, namun karena massa elektron begitu kecil sehingga kerap diabaikan. Pak Rutherford merasa ada yang kurang, karena apabila melihat nomor atom dari suatu atom, berbeda dengan jumlah protonnya.

Muncul gagasan ada sebuah partikel yang bermuatan netral dan akhirnya dinamakan sebagai neutron yang mengisi inti atom selain proton. Nah, inti atom ini terbentuk karena ada gaya ikat inti yang sangat kuat, meskipun keduanya bermassa, namun gaya gravitasi pada keduanya sangat kecil karena massanya begitu ringan.

Apakah ada gaya elektrostatik diantara keduanya? Ingat bahwa neutron itu netral alias tidak bermuatan. Gaya inti lah yang menyebabkan ikatan antara proton dan neutron.

Ada fenomena di mana massa inti atom ketika diestimasi selalu terjadi perbedaan dengan massa inti sebenarnya. "Hilangnya" massa tersebut merupakan pelaku yang memberikan gaya tarik inti sebelumnya. Ingat lagi mengenai kesetaraan energi dan massa oleh Einstein, E = mc^2.

Defisit tersebut dapat diketahui dengan mudah, jika massa inti aslinya, m_{\text{asli}}, dan jika inti terdiri dari proton dan neutron, kita perlu tahu berapa banyak proton dan neutron di dalamnya, misal Z dan N secara berturut-turut, dan yang pasti adalah massa kedua partikel tersebut, misal m_p dan m_n. Dari ide tersebut, diekspresikan ke dalam bentuk matematis

\Delta m = \left(Zm_n + Nm_n\right) - m_{\text{asli}} .

Apabila massa atom sebelumnya didefinisikan menggunakan satuan \text{sma} atau satuan massa atom, maka kita dapat mengetahui besar energi ikat pada inti tersebut. Jika 1\,\text{sma} setara dengan 931\,\text{MeV} (Mega elektron volt), energi ikat tersebut dengan sangat jelas kita cari dengan

\Delta E = (931\,\text{MeV})\Delta m .

Reaksi Inti

Intinya sama aja mau kita sebut sebagai reaksi inti atau reaksi nuklir, karena secara etimologi kan nuklir juga inti maknanya. Oke lewati aja, sekarang ada satu pertanyaan, apakah inti atom dapat berubah?

Jawabannya bisa, tapi memerlukan energi yang cukup besar. Karena pada dasarnya inti atom itu dalam keadaan stabil atau bisa disebut juga setimbang, kita perlu partikel "pengganggu" untuk "membelah" inti atom tersebut. Prosesnya bisa dimodelkan seperti berikut

A + a \rightarrow B + b + Q

kalau diartikan, misal ada atom A kemudian diganggu oleh partikel a dan menghasilkan inti atom yang baru yaitu atom B dan muncul partikel b.

Reaksi inti berupa fisi yaitu menembakkan inti atom dengan partikel

Tunggu.., Q nya bagaimana? Oke, ketika proses itu terjadi, inti atom yang baru memiliki massa yang lebih ringan. Pertanyaanya, kemana massa yang hilang tersebut? Apakah hilang begitu saja? Tentu hukum kesetaraan massa dan energi lagi-lagi berlaku, begitu juga hukum kekekalan energi.

Kalau dimodelkan, apabila massa sebelum reaksi terjadi adalah m_A + m_a sedangkan massa setelah reaksi terjadi adalah m_B + m_b. Maka mirip seperti fenomena defek massa, energinya dapat kita ketahui yakni seperti berikut

Q = (931\,\text{MeV})[(m_A + m_a)+(m_B + m_b)] .

Sebenarnya proses perubah inti atom, tidak hanya merubah atom menjadi atom yang lebih ringan atau yang disebut sebagai proses fisi. Ada juga proses penggabungan partikel atom yang disebut sebagai proses fusi.

Proses sebelumnya merupakan ilustrasi dari proses fisi. Untuk proses fusi sendiri memerlukan suhu yang begitu tinggi sekitar 10^8\,\text{K} atau hampir 100 juta derajat \text{celcius}, proses ini sering terjadi di matahari.

Kalau di bumi kita ini, reaksi fisi umumnya digunakan untuk pembangkit listrik, sedangkan reaksi fusi sejauh ini yang saya tahu, belum ada mesin pembangkit tenaga fusi, mungkin di antara tukang iseng ada yang tertarik.

Label
< Materi SebelumnyaEnergi dan Usaha
Search icon