Setelah Anda mempelajari konsep fisika inti ini, diharapkan Anda dapat : Mendeskripsikan teori-teori atom menurut Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr dan

mekanika kuantum Mendeskripsikan Spektrum Atom Hidrogen Mendeskripsikan struktur inti suatu atom Menjelaskan proses radioaktivitas Menjelaskan teknologi nuklir

A. Teori Atom

Istilah atom pertama kali dicetuskan oleh seorang ilmuwan bernama Democritus, atomos, yang berarti tidak dapat dibagi lagi. Perkembangan teori atom berkembang seiring penemuan-penemuan teknologi dalam dunia fisika.

1. Teori Atom Dalton

John Dalton melakukan eksperimen kimia untuk membuktikan pernyataan Democritus. Hasil eksperimennya menunjukkan beberapa hal sebagai berikut :a. Atom merupakan bagian terkecil suatu unsur yang tak dapat dibagi lagi.b. Atom suatu unsur tidak dapat berubah menjadi unsur lain, contoh atom hidrogen tidak

dapat berubah menjadi atom helium.c. Atom-atom dapat membentuk molekul.d. Pada suatu reaksi kimia, atom-atom berpisah, kemudian bergabung lagi dengan susunan

berbeda, tetapi keseluruhan massanya tetap (sesuai dengan Hukum Lavoisier).e. Pada reaksi kimia, atom-atom bergabung membentuk molekul dengan perbandingan

tertentu yang sederhana (Hukum Proust).

Teori ini gagal dengan ditemukannya elektron oleh Joseph John Thomson.

2. Teori Atom Thomson

Joseph John Thomson mendapatkan kesimpulan dari hasil eksperimennya bahwa atom bukanlah bagian terkecil dari suatu unsur, melainkan ada unsur lain yang lebih kecil dari atom. Menurut Thomson, atom berbentuk bulat padat dengan muatan listrik positif tersebar merata di seluruh bagian atom. Muatan positif ini dinetralkan oleh elektron-elektron yang tersebar di antara muatan-muatan positif, seperti kue kismis.

Model ini gagal karena tidak sesuai dengan hasil yang didapat dari percobaan Ernest Rutherford. Namun demikian, berdasarkan percobaan yang telah dilakukannya, Thomson berhasil menemukan hubungan antara besarnya muatan elementer dengan massanya, yaitu :

C/kg, sehingga massa elektron dapat diketahui, yaitu sebesar :

Fisika Nuklir 72

9. FISIKA NUKLIR

kg (9.1)

3. Teori Atom Rutherford

Ernest Rutherford melakukan percobaan hamburan partikel dan didapat kesimpulan :a. Semua muatan positif dan sebagian besar massa atom berkumpul di tengah-tengah atom,

yang disebut inti atom.b. Inti atom dikelilingi oleh elektron-elektron pada jarak relatif jauh, seperti planet-planet

mengitari matahari dalam tatasurya.

Model ini gagal karena tidak dapat menjelaskan kestabilan atom dan spektrum garis hidrogen.

4. Model Atom Bohr

Niels Bohr menguraikan hasil temuannya tentang atom :a. Elektron tidak dapat berputar di sekitar inti atom melalui setiap orbit, tetapi hanya pada

orbit-orbit tertentu tanpa membebaskan energi.b. Elektron dapat berpindah dari satu orbit ke orbit lainnya dengan membebaskan atau

menyerap energi.c. Orbit-orbit yang diperkenankan ditempati oleh elektron adalah orbit-orbit yang

momentum sudutnya kelipatan bulat dari h/2π, ditulis :

Jika pada struktur atom hidrogen, elektron pindah dari kulit luar ke kulit yang lebih dalam, panjang gelombang tiap deret dalam spektrum garis atom hidrogen menurut Balmer dinyatakan dengan rumus :

; n < m (9.2)

Deret ini dikenal sebagai deret Balmer. Selain Balmer ada ilmuwan-ilmuwan lain yang menyatakan deretnya. Di antaranya adalah :a. Deret Lyman : n = 1 dan m = 2, 3, 4, 5, ....b. Deret Balmer : n = 2 dan m = 3, 4, 5, 6, .... c. Deret Paschen : n = 3 dan m = 4, 5, 6, 7, ....d. Deret Bracket : n = 4 dan m = 5, 6, 7, 8, ....e. Deret Pfund : n = 5 dan m = 6, 7, 8, 9, ....

Urutan n dinyatakan sebagai : Lybapas Brapfu. Secara umum, deret spektrum atom hidrogen dijelaskan oleh persamaan berikut :

; n < m (9.3)

Deret Lymann menemukan spektrum atom hidrogen pada daerah ultraviolet. Deret Balmer pada spektrum cahaya tampak, sedangkan deret Paschen, Bracket dan Pfund berada pada daerah inframerah.

Fisika Nuklir73

Jari-jari orbit orbit untuk n = 1 disebut jari-jari Bohr dimana a0 = 0,528 Å, sedang jari-jari orbit ke-n dinyatakan :

Energi kuantisasi pada struktur atom hidrogen dinyatakan sebagai :

; di mana n = 1,2,3... (9.4)

Energi kuantisasi pada ion :

; z = nomor massa (9.5)

5. Teori Atom Modern (Mekanika Kuantum)

Persamaan de Broglie tentang panjang gelombang suatu partikel :

(9.6)

Energi yang berpindah dari tingkat n ke tingkat m dinyatakan sebagai :

(9.7)

Massa elektron : 9,1 × 10-31 kgMassa proton : 1,6 × 10-27 kgMuatan elementer sebuah elektron atau proton : e = 1,6 × 10-19 C

B. Fisika Nuklir

Tentu Anda pernah mengenal istilah nuklir. Kata “nuclear” seringkali dikonotasikan negatif sebagai sesuatu yang dapat meledak, atau bom. Akan tetapi, dibalik stigma negatif tersebut, sebenarnya nuklir dapat memberikan manfaat yang sangat besar bagi kehidupan manusia. Baik itu sebagai tenaga listrik, maupun di bidang-bidang lain seperti kedokteran, pertanian dsb.

Nuklir diambil dari sebuah kata dalam bahasa Inggris “nuclear” yang artinya inti. Niels Bohr berhasil menjelaskan bahwa atom dalam keadaan stabil dan spektrum yang dipancarkan atom hidrogen adalah diskret. Model tersebut telah menjelaskan bahwa atom tersusun oleh inti atom yang bermuatan positif dan dikelilingi oleh elektron pada kulit-kulitnya yang bermuatan negatif. Muatan positif ini kelak dikemudian hari disebut sebagai proton.

Ditemukannya struktur atom banyak menyisakan pertanyaan bagi para ilmuwan. Tersusun oleh apakah inti atom itu? Apakah hanya terdapat proton-proton? Pertanyaan tersebut perlahan-lahan mulai terjawab setelah James Chadwick, fisikawan asal Inggris menemukan penyusun inti atom selain proton, yaitu neutron. Proton dan neutron yang terdapat dalam inti atom ini biasa sering disebut sebagai nukleon.

Fisika Nuklir 74

Neutron adalah partikel netral yang massanya hampir sama dengan massa proton. Perhatikan tabel berikut :

Tabel 9.1. Perbandingan Massa dan Muatan Penyusun Atom StabilPartikel Muatan Massa Dibulatkan Proton + 1,6 10-19 C 1,6726 10-27 kg 1,67 10-27 kg

Neutron 0 1,6749 10-27 kg 1,67 10-27 kgElektron - 1,6 10-19 C 9,1095 10-31 kg 9,11 10-31 kg

Dari seluruh unsur di alam, atom hidrogen merupakan unsur paling sederhana. Inti atom hidrogen hanya terdiri atas sebuah proton. Inti-inti unsur lain tersusun oleh sejumlah proton dan neutron yang berbeda satu sama lain. Suatu unsur biasanya dilambangkan sebagai :

(9.8)

Dengan : X : nama unsurZ : nomor atom (jumlah proton atau jumlah elektron), dan A : nomor massa atom (jumlah proton dan neutron)

Contoh unsur Oksigen memiliki lambang : , artinya jumlah proton dan elektron dalam atom hidrogen tersebut adalah 8, sedangkan jumlah neutronnya ada 9.

C. Massa Defek dan Energi Ikat Inti

Karena inti suatu atom tersusun oleh proton dan neutron, massa inti harusnya sama dengan massa proton ditambah massa neutronnya. Akan tetapi, kenyataannya tidak demikian. Massa inti selalu lebih kecil dari massa nukleon. Selisih antara massa inti dengan massa nukleon, disebut sebagai massa defek. Massa defek ini berubah menjadi energi yang mengikat inti, yang disebut sebagai energi ikat inti.

Untuk menentukan massa defek suatu unsur digunakan persamaan :(9.9)

Keterangan : m : Massa defek (kg)Z : Nomor atom (jumlah proton) mp : Massa proton (kg)A : Nomor massa (jumlah nukleon)mn : Massa neutron (kg)m : Massa inti (kg)

Untuk menentukan energi ikat inti (satuan Joule) :(9.10)

Dengan c adalah kelajuan cahaya 3 108 m/s.

Jika energi ikat inti dinyatakan dalam satuan MeV (MegaelektronVolt) :

Fisika Nuklir75

(9.11)

Dengan catatan bahwa m haruslah dalam satuan sma (satuan massa atom).

D. Radioaktivitas

Duapertiga dari unsur di alam ini tidak stabil. Inti atom yang memiliki nilai Z > 83 merupakan inti-inti yang tidak stabil. Untuk mencapai kestabilan, inti secara spontan akan memancarkan partikel-partikel radioaktif. Peristiwa pemancaran partikel radioaktif secara spontan ini disebut sebagai radioaktivitas.

Umumnya partikel-partikel radioaktif yang dipancarkan inti tidak stabil adalah partikel-partikel , , dan sinar . Peristiwa radioaktivitas pertama kali ditemukan oleh Henry Becquerel.

Pemancaran Partikel Alfa ()Secara umum proses pemancaran partikel alfa ( atau ) dituliskan dengan reaksi :

(9.12)

Sifat-sifat sinar alfa :1. Sinar dihasilkan oleh pancaran partikel-partikel dari sebuah sumber radioaktif.2. Sinar tiada lain adalah inti atom helium ( ) yang mengandung dua proton dan dua

neutron.3. Sinar dapat menghitamkan film. Jejak partikel dalam bahan radioaktif berupa garis

lurus.4. Radiasi sinar mempunyai daya tembus terlemah dibandingkan dengan sinar , dan

sinar . 5. Radiasi sinar mempunyai daya ionisasi paling besar sebab muatannya paling besar.6. Sinar dibelokkan oleh medan magnetik dan medan listrik.

Pemancaran Partikel Beta ()Secara umum proses pemancaran partikel dituliskan dengan reaksi :

(9.13)

Sifat-sifat sinar : 1. Sinar dihasilkan oleh pancaran partikel-partikel .2. Sinar tiada lain adalah elektron yang bergerak dengan kecepatan tinggi. 3. Radiasi sinar berdaya tembus lebih besar dari sinar dan lebih kecil dari sinar .4. Sinar dapat dibelokkan dengan kuat oleh medan magnetik maupun medan listrik

karena massanya sangat kecil.

Pemancaran Partikel Gamma ()Sinar adalah gelombang elektromagnetik. Sinar tidak bermassa dan tidak bermuatan. Secara umum, pemancaran sinar :

(9.14)

Sifat-sifat sinar :

Fisika Nuklir 76

1. Mempunyai daya tembus paling besar tetapi daya ionisasi terlemah.2. Tidak dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnetik.3. Merupakan gelombang elektromagnetik dengan frekuensi tertinggi (panjang gelombang

terpendek).4. Sinar tidak bermuatan dan hampir tak bermassa.

E. Peluruhan Radioaktif

Pemancaran partikel radioaktif ini menyebabkan jumlah inti atomnya berkurang atau mengalami peluruhan (pererasan). Hasil eksperimen menunjukkan bahwa laju peluruhan sebanding dengan jumlah inti pada saat itu dan secara matematis dinyatakan :

(9.15)

Dengan :

: laju peluruhan

N : jumlah inti pada waktu tertentu : konstanta (tetapan) peluruhan.

Tanda negatif menunjukkan bahwa jumlah inti yang meluruh senantiasa berkurang setiap saat. Jumlah inti Nt pada saat t dapat dinyatakan :

(9.15)

Secara umum, aktivitas peluruhan ini dinyatakan :

(9.16)

Di mana T adalah waktu paruh.

F. Pemanfaatan Teknologi Nuklir dan Radioaktivitas

Teknologi tentang nuklir dan radioaktivitas ini dimanfaatkan manusia terutama :1. sebagai pembangkit tenaga listrik2. sebagai perunut dan scaning dalam pengobatan :

Iodium-131 kelenjar tiroid, paru-paru Kromium-51 limpa Selenium-75 pankreas Teknetium-99 tulang, paru-paru Galium-67 getah bening

3. Cobalt-60 dapat digunakan membunuh sel kanker4. Sinar gamma dapat digunakan untuk mengukur ketebalan suatu baja5. Stronsium (Sr-90) digunakan untuk ban kendaraan6. Uranium untuk menghitung umur fosil-fosil di zaman purba.

G. Tugas

1. Jelaskan teori-teori atom menurut John Dalton, Joseph John Thomson, Ernest Rutherford dan Niels Bohr!

Fisika Nuklir77

2. Jika konstanta Rydberg 1,097 10-7 m-1, berapakah frekuensi terbesar dalam deret Paschen?

3. Jika jari-jari kulit M sebuah atom hidrogen adalah 4,752 Å, hitunglah jari-jari orbit kulit K!

4. Tuliskan jumlah proton, neutron dan elektron masing-masing unsur di bawah ini :a. d.

b. e.

c.5. Jelaskan apa yang dimaksud dengan defek massa?

6. Massa inti atom = 9,0121 sma, massa proton = 1,007 sma dan massa neutron = 1,0086

sma. Tentukan defek massa atom jika 1 sma setara 931 MeV.

7. Pada persamaan reaksi :

Jika massa inti Be = 9,012 sma, massa inti = 4,0026 sma massa inti C = 12,000 sma dan massa inti neutron = 1,0086 sma, tentukan energi reaksinya!

8. Aktivitas sebuah sumber radioaktif berkurang bagian dari aktivitas awalnya dalam selang

waktu 30 jam. Tentukan waktu paro dan tetapan peluruhan!

9. Ketika sebuah fosil ditemukan, aktivitas C-14 yang dipancarkan fosil tersebut tinggal 6,25% dari aktivitas C-14 ketika ia masih hidup. Jika waktu paruh C-14 adalah 5600 tahun, berapakah usia fosil tersebut?

10. Sebutkan manfaat teknologi nuklir dan radioaktif bagi kehidupan manusia!

H. Peta Konsep

Fisika Nuklir 78

TEORI ATOM

DALTON THOMSON RUTHERFORD BOHR MEKANIKA KUANTUM

ELEKTRON

PROTON

NEUTRON

INTI ATOM

SINAR SINAR SINAR

RADIOAKTIVITAS

Fisika Nuklir79