Halaman
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2175BAB10INTI ATOM DAN RADIOAKTIVITASEhm, pengetahuantentang atom telahberkembang pesat.Ternyata atom terdiriatas inti atom danelektron.Nah. Pada babini kita akanmempelajari intiatom danradioaktivitas.Ya, kita akanmempelajari sifatdan perilaku intiatom.Pada akhirnyasetelah kita mempelajaribab ini kita akan memahamisifat-sifat inti atom danradioaktivitas. Kita jugaakan memahami reaksi inti,reaksi fusi, danreaksi fisi.Selanjutnya, kitaakan mempelajarireaksi inti, reaksifisi, dan reaksi fusi.
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2176GerbangA. Inti AtomPada pelajaran sebelumnya kita telah mempelajari atom. Jika kitameneliti lebih jauh ke dalam atom maka pada pusat atom terdapat intiatom. Inti atom merupakan bagian penting untuk mengungkap lebih jauhtentang atom. Inti atom dianggap sebagai partikel yang memiliki massadan bermuatan positif. Berikut ini akan kita pelajari hal-hal yang berkaitandengan inti atom.1. Struktur Inti AtomInti atom memiliki diameter sekitar 10-15 m atau kurang lebih1100.000 kali ukuran atom. Inti atom atau nukleus tersusun atasnukleon-nukleon, yaitu proton dan neutron yang terikat sangat kuat.Banyaknya proton di dalam inti dinyatakan dengan Z (nomor atom)dan banyaknya neutron di dalam inti dinyatakan dengan N. Banyaknyaproton dan neutron di dalam inti dinyatakan dengan A (nomor massa).Gambar 10.1 Umur fosil dapat diperkirakan dengan memanfaatkan radioaktivitasFosil trilobite pada gambar di atas diketahui telah berumur 250 juta tahun. Bagaimana kitadapat mengetahui umur fosil yang telah mati jutaan tahun lamanya? Penentuan umur fosilmerupakan salah satu penerapan radioaktivitas yang melibatkan atom dan inti atom. Seberapapenting pengetahuan tentang inti atom bagi kita? Pada bab ini akan kita pelajari lebih jauhtentang struktur dan karakter inti atom.Kata Kunci:Inti Atom – Energi Ikat Inti – Gaya Inti – Radioaktivitas – Waktu Paruh –Reaksi Inti – Reaksi Fisi – Reaksi FusiInti AtomRep. ceciledeneuvillers.com
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2177Secara matematis, dapat dirumuskan:A = Z + NNomor atom dan nomor massa suatu atom biasanya disertakandalam penulisan simbol atom. Kaidah penulisan simbol atom yanglazim digunakan adalah: XAZ.Misalnya inti karbon-12 disimbolkan sebagai 126C, ini berarti intitersebut terdiri atas 6 proton dan 6 neutron.Selain menunjukkan banyaknya proton dan neutron dalamsuatu atom, nomor massa juga menunjukkan massa inti atomtersebut. Massa inti atom dinyatakan dalam satuan massa atom(sma). 1 sma didefinisikan sebagai 112 kali massa inti atom karbonyaitu 1,6604 . 10-27 kg. Dengan menggunakan rumus E = m . c 2,1 sma akan setara dengan 9,31 . 108 eV atau 931 MeV. Penentuanmassa inti atom dapat dilakukan dengan menggunakan alat yangdisebut spektograf massa. Dengan alat ini terukur massa protondan massa neutron masing-masing adalah:massa proton (11H) = 1,007825 smamassa neutron (10n) = 1,008665 smaInti atom terkonsentrasi dalam pusat atom dengan jari-jari:R = R0 (A)13. . . (10.1)Keterangan:R0: konstanta yang besarnya 1,1 fermi (1 fermi = 1 femtometer = 10-15 m)A: nomor massa2. Gaya IntiDi dalam inti atom terdapat banyak proton yang bermuatan positif.Jarak antarproton dalam inti atom sangat berdekatan karena ukuraninti atom sangat kecil. Menurut hukum Coulumb gaya tolak antarprotonsangat besar dan gaya gravitasi antarproton tidak cukup kuat untukmelawan gaya tersebut. Oleh karena itu, diperlukan suatu gayatersendiri yang dapat mengikat inti atom. Gaya ini bekerja pada daerahjangkauan yang sangat pendek (antara 0,6 . 10-15 – 2 . 10-15m). Gayatersebut disebut gaya inti.Salah satu teori tentang gaya inti diusulkan oleh Hideki Yukawaseorang fisikawan Jepang pada awal tahun 1930. Teori Yukawadikenal dengan teori meson gaya nuklir. Menurut Yukawa setiapnukleon terus-menerus memancarkan dan menyerap pion. Jikaterdapat nukleon lain didekatnya maka pion yang dipancarkan dapatmenyeberang bolak-balik kembali ke induknya disertai pertukaranmomentum yang setara dengan aksi gaya.Gaya inti akan tolak-menolak pada jarak yang lebih pendek darijarak tertentu, hal ini agar nukleon dalam inti tidak menyatu. Mungkinkita dapat mengilustrasikan gaya inti ini sebagai dua buah bola yangdihubungkan dengan sebuah pegas. Pada jarak yang sangat dekat,kedua bola akan saling menolak, tetapi pada jarak yang jauh keduabola akan saling menarik.Gaya Inti
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2178gaya tolakGambar 10.2 Ilustrasi sederhana gaya pada inti atomgaya tolak gaya inti saling menarik3. Energi Ikat IntiGaya inti antarpartikel inti menimbulkan energi ikat inti. Energi ikatinti (binding energy) adalah energi yang diperlukan untuk melepaskanpartikel-partikel penyusun inti menjadi partikel-partikel yang terpisah.Energi ini dapat dihitung dengan menggunakan selisih antara jumlahmassa partikel-partikel penyusun inti dengan massa inti. Selisih inidisebut sebagai defek massa, yang dirumuskan sebagai berikut.'m = {Z.mp + (A – Z) .mn} – mi. . . (10.2)Keterangan:'m: defek massa (sma)Z: nomor atommp: massa proton (sma)mn: massa neutron (sma)mi: massa inti (sma)Besarnya energi ikat inti jika 'm dinyatakan dalam kg adalah:Ei = 'm . c 2. . . (10.3)Jika 'm dinyatakan dalam sma, besarnya energi ikat inti adalah:Ei = 'm . 931MeV. . . (10.4)Persamaan di atas berlakuuntuk seluruh inti atom. Seperi telahkita ketahui, inti atom terdiri atasnukleon-nukleon. Masing-masingnukleon juga memiliki energi ikat.Besarnya energi ikat per nukleondinyatakan sebagai iEA. Gambar10.2 menunjukkan grafik energiikat per nukleon pada inti atom.Dari gambar 10.2 terlihatbahwa untuk inti-inti dengan nomoratom besar energi ikatnya semakinkecil. Untuk lebih jelasnya per-hatikan contoh soal berikut!Energi IkatInti109876543210255075100 125 150 175 200 225 250Gambar 10.3 Grafik energi ikat per nukleonEnergi ikat per nukleon (MeV)Nomor atom
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2179Contoh soalTentukanlah energi ikat inti dan energi ikat per nukleon inti Litium (73Li), jikamassa inti Li = 7,01822 sma!Penyelesaian:Diketahui: mi = 7,01822 smaDitanyakan: Ei = . . .?Jawab:Energi ikat inti 73LiEi = {(3 . 1,007825 + 4 . 1,008665) – 7,01822} . 931 MeV =37,105005 MeVEnergi ikat per nukleon 73Li37,105005== 5,300715 MeV7iEADari contoh soal di atas dapat kita ketahui bahwa untukmemisahkan seluruh proton dan neutron penyusun inti Li dari atomnyadiperlukan energi sekitar 37,1 MeV. Sedangkan untuk memisahkansatu proton dan satu neutron dari ikatan inti atom Li diperlukan energisekitar 5,3 MeV. Dapat kita bayangkan betapa besarnya energi yangdibutuhkan untuk mencerai-beraikan 1 gram Li agar seluruhpartikelnya terlepas dari atomnya. Untuk menguji pemahamanmutentang pembahasan di atas kerjakan soal-soal berikut!Kerja Mandiri 1Kerjakan soal berikut dengan tepat!Tentukan massa inti dari unsur-unsur berikut!1.3115P jika iEA = 8,48 Mev2.8135Br jika iEA = 8,69 Mev3.12050Sn jika iEA = 8,50 Mev4. Stabilitas IntiBeberapa inti atom dapat bertranformasi secara spontan menjadiinti atom lain. Hal ini disebabkan oleh sifat stabilitas inti. Stabilitassuatu inti ditentukan oleh perbandingan antara jumlah neutron denganjumlah proton. Inti-inti ringan (A < 20) akan stabil jika jumlah protonsama dengan jumlah neutron. Akan tetapi, untuk inti-inti berat proporsineutron akan lebih besar.
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 21801401301201101009080706050403020100 102030405060708090Gambar 10.4 Grafik stabilitas intiNomor atom (Z)Jumlah neutron (N)N = ZInti stabilSeperti telah kita ketahui bahwa gaya intibekerja pada jangkauan yang sangat kecil, yaituhanya bekerja antara atom-atom yang berdekatan,sedangkan jangkauan gaya Coulomb tidakterbatas. Gaya tolak antarproton akibat gayaCoulomb bekerja pada jarak yang tidak terjangkauoleh gaya inti. Hal ini mengakibatkan inti-inti beratdengan jumlah proton (Z) besar memiliki gaya tolakyang lebih besar dari gaya inti, sehingga inti-intiberat tidak stabil. Berdasarkan hasil eksperimen,inti berat yang paling stabil adalah bismut. Inti-intiberat dengan Z > 80 akan cenderung mejadi intistabil dengan melepaskan proton atau menangkapneutron.Di alam terdapat sekitar 300 kombinasi ikatanproton dan neutron dalam keadaan stabil. Parailmuwan sudah dapat menghasilkan sekitar 3.000 inti buatan di dalamlaboratorium. Sebagian besar inti ini dalam keadaan tidak stabil,karena adanya kelebihan proton atau neutron. Inti-inti tidak stabil akanmengalami proses menuju inti stabil yang dikenal dengan prosespeluruhan radioaktif atau radioaktivitas.B. RadioaktivitasRadioaktivitasadalah gejala terpancarnya partikel-partikel radioaktifakibat peluruhan (disintegrasi) inti dalam rangka menuju inti stabil. Inti-intiyang mengalami peluruhan ini disebut inti radioaktif.Gejala radioaktivitas ditemukan secara tidak sengaja oleh HenriBecquerel, seorang fisikawan berkebangsaan Prancis pada tahun 1896.Ketika ia meletakkan pelat film di sekitar uranium, pelat film tersebutkemudian menjadi hitam. Gejala fosforesensi (phosporesence) danfluoresensi (fluoresence) tidak dapat menjawab fenomena penyebabpenghitaman pelat film di sekitar uranium. Akhirnya, Becqeurelberkesimpulan bahwa penyebabnya adalah sinar yang dipancarkansecara spontan oleh uranium. Sinar ini kemudian disebut sebagai sinarradioaktif. Sedangkan unsur-unsur yang memancarkan sinar radioaktifdisebut unsur radioaktif.Dari hasil penelitian selanjutnya terdapat tiga sinar radioaktif yaitu sinaralfa(D), sinar beta(E),dan sinar gamma(J). Selain menghitamkan pelatfilm, ketiga sinar tersebut memiliki sifat-sifat sebagai berikut.1. Sinar alfa (DDDDD)a. Sinar alfa bermuatan positif (2+).b. Dibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet.c. Memiliki daya tembus yang paling rendah dibandingkan sinar betamaupun gamma.Radioaktivi-tas
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 21812. Sinar beta (EEEEE)a. Sinar beta bermuatan negatif (1–).b. Dibelokkan oleh medan listrik maupun medanmagnet.c. Memiliki daya tembus yang lebih besar dari sinar alfa,tetapi di bawah sinar gamma.3. Sinar gamma (J)a. Sinar gamma tidak bermuatan sehingga tidakdibelokkan oleh medan listrik maupun medan magnet.b. Sinar gamma memiliki daya tembus yang paling kuatdi antara ketiga sinar radioaktif yang ada.Perhatikan gambar 10.6 di bawah ini! Gambar 10.6menunjukkan pembelokan sinar radioaktif di dalam medanmagnetik. Perhatikan bahwa partikel alfa dan beta adalahpartikel bermuatan! Ingat kembali konsep gaya Lorentz padapartikel bermuatan!Gambar 10.6 Pembelokan sinar radioaktif dalam medan magnetikMedan magnetdengan arahmeninggalkanbidang gambarSumber sinarradioaktifDEJSeperti telah disebutkan sebelumnya bahwa sinar alfa, beta,dan gamma termasuk sinar radioaktif. Demikian halnya denganpartikel-partikel radioaktif lain, sinar-sinar tersebut juga mengalamipeluruhan. Mekanisme peluruhan sinar-sinar radioaktif dapat dijelaskansebagai berikut.1. Peluruhan alfaSinar alfa sering disimbolkan dengan 42He. Dengan demikian,ketika suatu inti memancarkan sinar alfa, inti induk akan kehilangandua proton dan dua neutron. Misalnya inti X dengan nomor atom Zdan nomor massa A memancarkan sinar alfa dan menghasilkan intibaru yaitu Y. Mekanisme peluruhannya dapat dituliskan sebagai:oAA24ZZ22HeXYPeluruhan alfa merupakan peluruhan yang memancarkan energi.Energi yang dipancarkan pada peluruhan alfa adalah:E = (mx– my– mD) c 2Sebaiknya TahuAntoine Henri Becquerel(1852–1908)Fisikawan Prancis iniadalah pemenang hadiahnobel di bidang fisika ataspenemuannya dalam radio-aktivitas pada uranium.Ketika ia akan melakukanpenyelidikan tentang ke-mungkinan bahan fluo-resensi memancarkansinar-X jika disinari, iamenemukan radioaktivitaspada uranium.Berawal dari ketidak-sengajaan ini ia terusmelanjutkan penelitiannyaterhadap berbagai aspekradioaktivitas uraniumhingga akhir hayatnya. Iamenerima hadiah Nobel dibidang fisika pada tahun1903.Rep. www.wiking solar.deGambar 10.5 Antoine HenriBecquerel
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2182Energi yang dipancarkan pada peluruhan alfa merupakan energikinetik inti anak (inti Y) dan sinar alfa. Secara matematis dapatdinyatakan sebagai berikut.E = (Eky– EkD) c 2Energi kinetik inti anak dan sinar alfa pada peluruhan alfa lebihkecil dibandingkan energi diam inti anak dan alfa. Denganmenggunakan mekanika klasik, diperoleh energi kinetik sinar alfa:EkD=. 4AEA2. Peluruhan betaPada peluruhan beta, neutron mengalami transformasi menjadiproton dan elektron. Elektron yang meninggalkan inti atom akanterdeteksi sebagai sinar beta. Dengan demikian, nomor atom inti anakakan berselisih satu satuan dibandingkan nomor atom inti induk.Mekanisme peluruhannya dapat dituliskan sebagai berikut.EQoAAZZ1XYKeterangan:Q : neutrinoPeluruhan beta jika dinyatakan sebagai perubahan neutronmenjadi proton dapat dituliskan sebagai:Qo11 001-1np ePeluruhan beta di atas merupakan peluruhan beta utama.Peluruhan beta ada dua macam, yaitu peluruhan beta utama danpeluruhan beta positif (elektron positif atau positron). Dalam peluruhanbeta positif, proton berubah menjadi neutron dan memancarkansebuah positron. Mekanisme peluruhannya adalah:EQoAAZZ1XYPerubahan proton menjadi neutron hanya dapat terjadi di inti.Mekanisme peluruhannya dapat dituliskan sebagai:Qo11 010+1epnPeluruhan beta juga menghasilkan energi. Energi yang dihasilkanpada peluruhan beta utama dapat dirumuskan:E =(mx– my– mD) c 2Sedangkan energi pada peluruhan beta positif dapat dirumuskan:E =(mx– my–2mD) c 2
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2183Gambar 10.7Mekanisme peluruhan sinar gamma2712MgEJ2713*Al2713Al3. Peluruhan gammaPada peluruhan gamma, inti induk tidak mengalami perubahan,tetapi pada proses ini dipancarkan energi yang tinggi. Mekanismepeluruhannya adalah:JoXnergiYeAA0ZZ0++Peluruhan sinar gamma terjadi jika inti berada dalam keadaanenergi ikat yang lebih tinggi dari keadaan dasarnya. Inti dalamkeadaan seperti ini dikatakan dalam keadaan tereksitasi dan diberitanda bintang (*) setelah simbol intinya. Inti yang tereksitasi akankembali ke keadaan dasarnya dengan memancarkan foton yangbesarnya mencapai beberapa MeV. Gambar 10.7 menunjukkanmekanisme peluruhan 2712Mg menjadi 2713Al.Ilustrasi peluruhan sinar-sinar radioaktif di atas dapat kita lihatpada gambar 10.8 berikut ini!inti indukGambar 10.8 (a) peluruhan sinar alfa, (b) peluruhan beta negatif, dan (c) peluruhan beta positif(a)partikel alfainti hasilpeluruhan(c)neutrinoE+inti hasilpeluruhaninti induk(b)neutrinoE-inti hasil peluruhaninti indukneutronprotonbeta atau neutrino
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2184Proses peluruhan radioaktif seperti pembahasan di atas akanterus berlangsung hingga dihasilkan inti yang stabil. Laju peluruhaninti radioaktif disebut sebagai aktivitas radioaktif yang besarnyadirumuskan sebagai berikut.OdNNdt. . . (10.5)Keterangan:dNdt: laju peluruhan inti (peluruhan/sekon)O: konstanta peluruhanBesaran ON dikenal sebagai aktivitas radioaktif dan disimbolkandengan R. Satuan untuk R dalam SI dinyatakan dalam becquerel(Bq), 1 Bq = 1 peluruhan/sekon. Pada kenyataannya aktivitasradioaktif sangat tinggi. Sehingga digunakan satuan lain, yaitu curie(Ci) 1 Ci = 2,70 . 1010 Bq.Aktivitas radioaktif menyebabkan perbedaan jumlah partikelsebelum dan sesudah peluruhan. Hubungan antara jumlah partikelsebelum dan sesudah peluruhan dapat ditentukan denganmengintegralkan persamaan 10.5. Dengan demikian, diperolehhubungan sebagai berikut.N = N0 e-Ot. . . (10.6)Keterangan:N: jumlah partikel sisa yang belum meluruhN0: jumlah partikel awalt: selang waktuPerhatikan gambar 10.9!N0Gambar 10.9 Grafik hubungan N dengan T pada peluruhan radioaktif12N014N00t12T12T12T18N0Gambar 10.9 menunjukkan hubungan antara N dan t. Dari gambardiketahui bahwa setiap selang waktu 12T, sisa partikel yang belummeluruh tinggal separuh sebelumnya. Selang waktu yang diperlukansehingga aktivitas radioaktif tinggal separuh aktivitas awal disebutwaktu paruh dan disimbolkan sebagai 12T. Untuk menghitung waktuparuh dapat kita gunakan cara berikut.WaktuParuh
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2185Kita misalkan jika t =0, N = N0 maka setelah t =12T, N =12N0.Dengan demikian, persamaan 10.6 akan menjadi:12N0 = N0e-O12TIn12 = -OT12 In eIn 2 = -OT12OO120,693 2lnT. . . (10.7)Jika 12T diketahui, dengan menggunakan grafik pada gambar 10.9kita dapat menuliskan hubungan N dengan N0 sebagai berikut.N = N0(12)12tT. . . (10.8)Aktivitas radioaktif sebanding dengan banyaknya partikel.Dengan demikian, kita dapat menuliskan hubungan R dengan R0sebagai berikut.R = R0(12)12tT. . . (10.9)Perhatikan contoh soal berikut! Selanjutnya, untuk mengujipemahamanmu tentang pembahasan di atas, kerjakanlah pelatihandi bawahnya!Contoh Soal10 gram sampel bahan radioaktif dengan waktu paruh 10 hari disimpan dalamsuatu wadah yang terisolasi. Berapakah sisa sampel tersebut yang belummeluruh setelah 1 bulan? (anggap 1 bulan = 30 hari)Penyelesaian:Diketahui:Mo = 10 gram12T = 10 hariDitanyakan: M = . . .?Jawab:Massa benda sebanding dengan jumlah partikel sehingga:M = M0(12)12tT = 10(12)3010 = 10(12)3 = 1,25 gram
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2186Kerja Mandiri 2Kerjakan soal berikut dengan tepat!1. Waktu paruh suatu zat radioaktif adalah 30 hari. Tentukanpersentase inti yang tersisa setelah meluruh selama 75 hari!2. Berapa lama waktu yang diperlukan untuk meluruhkan 100 gramzat radioaktif menjadi 12,5 gram jika waktu paruh zat tersebut 15hari?Pada beberapa peluruhan inti radioaktif, inti tidak stabil akanmeluruh beberapa kali sehingga membentuk suatu deret. Deret inidisebut deret radioaktif. Deret radioaktif ada 4 macam, yaitu:1. Deret Thorium dengan inti induk 23290Th dan waktu paruh 1,39 . 1010tahun, inti stabilnya adalah 20880Pb. Deret ini memiliki nomor massa(A) sama dengan 4n.2. Deret Neptunium dengan inti induk 23293Np dan waktu paruh 2,25 . 106tahun, inti stabilnya adalah 20983Pb. Deret ini memiliki nomor massa (A)sama dengan 4n + 1.3. Deret Uranium dengan inti induk 23892U dan waktu paruh 4,51 . 109tahun, inti stabilnya adalah 20682Pb. Deret ini memiliki nomor massa(A) sama dengan 4n + 2.4. Deret Aktinium dengan inti induk 23592U dan waktu paruh 7,07 . 108tahun, inti stabilnya adalah 20782Pb. Deret ini memiliki nomor massa(A) sama dengan 4n + 3.Penerapan RadioaktivitasSifat radioaktivitas suatu zat radioaktif dapat dimanfaatkan dalamberbagai bidang. Misalnya untuk mempelajari makhluk hidup, mendiagnosadan mendeteksi penyakit, mensterilkan peralatan medis dan makanan,dan sebagai sumber energi listrik.1.TracerPenerapan radioaktivitas banyak digunakan pada tracer. Denganmenggunakan tracer, suatu alur reaksi kimia dapat dilacak. Tracerbiasa digunakan dalam bidang kedokteran dan untuk mempelajarihewan serta tumbuhan. Iodin–131 dapat digunakan untuk mempelajarifungsi kelenjar tiroid dan mendeteksi penyakit pada kelenjar tiroid.2. Sterilisasi peralatan dan makananPenerapan radioaktivitas juga sering digunakan untukmensterilkan peralatan medis dan makanan. Peralatan medis danmakanan disinari dengan radiasi radioaktif agar mikroorganisme yangmenyebabkan kontaminasi dan penyakit dapat dimusnahkan.
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2187Kerja KelompokKerjakan bersama kelompokmu!Buatlah kliping tentang pemanfaatan sinar-sinar radioaktif dalamkehidupan sehari-hari! Setelah kliping selesai dibuat, diskusikandengan teman sekelasmu! Selanjutnya, kumpulkan klipingmu untukdisimpan ke perpustakaan sebagai referensi!3. PLTNPembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) menggunakan uraniumsebagai bahan bakar. Di dalam PLTN terdapat reaktor nuklir, yaitutempat terjadinya reaksi inti. Reaksi inti dalam reaktor nuklirmenghasilkan uap panas. Uap panas ini digunakan untukmenggerakkan turbin sehingga dihasilkan energi listrik.Pemanfaatan radioakvitas dalam berbagai bidang akan kita pelajarilebih lanjut pada bab selanjutnya.C. Reaksi IntiInti atom tidak hanya mengalami proses peluruhan radioaktif. Jikainti atom ditembak dengan partikel berenergi tinggi, akan terjadi suatureaksi inti. Tumbukan antara inti atom dengan partikel penembak akanmengakibatkan terbentuknya inti baru yang berbeda dengan inti asal. Intibaru ini disebut sebagai inti transmutasi.Reaksi inti pertama dilakukan oleh Rutherford pada tahun1919, ketikaia berhasil menembakkan partikel alfa pada inti nitrogen. Reaksi tersebutmenghasilkan isotop oksigen 178O dan sebuah proton. Secara mate-matis dapat dituliskan:o4141712781He + NOH + Dalam perkembangan selanjutnya, reaksi inti dilakukandengan menembakkan partikel yang telah dipercepat dalamsebuah akselerator. Di dalam akselerator, partikeldipercepat hingga memiliki energi kinetik yang diinginkan,kemudian ditembakkan pada inti target. Akseleratordikembangkan pertama kali oleh John D Cockcroft danErnest Thomas S Walton dari Inggris pada tahun 1930.Dengan akselerator ini mereka berhasil menembakkanproton pada inti lithium 73Li yang menghasilkan dua intihelium.Reaksi IntiGambar 10.10 Akselerator yang digunakanuntuk mempercepat partikel elementerRep. Encharta Library2005,Microsoft,USA
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2188Secara matematis dapat dituliskan:o71 4 431 2 2Li + HHeHe + Untuk mempersingkat penulisan, reaksi inti biasanya dituliskan dalambentuk X (a, b) Y. Sebagai contoh, reaksi inti yang dilakukan olehRutherford di atas dapat dituliskan sebagai:D1417 87 (,p) NODi dalam reaksi inti ada beberapa hukum kekekalan yang perlu kitaperhatikan. Hukum-hukum tersebut adalah hukum kekekalan jumlahnukleon, hukum kekekalan muatan, hukum kekekalan energi, dan hukumkekekalan momentum.a. Hukum kekekalan jumlah nukleonJumlah nukleon (proton + neutron) sebelum reaksi sama denganjumlah nukleon sesudah reaksi.Misalkan pada reaksioAA AAZZ ZZXa Y b12 3412 34 + + dalam hal ini berlaku:A1 + A2 = A3 + A4b. Hukum kekekalan muatanJumlah muatan (proton) sebelum dan sesudah reaksi adalahsama. Berdasarkan hukum kekekalan muatan pada reaksi di atasberlaku:Z1 + Z2 = Z3 + Z4c. Hukum kekekalan energiHukum kekekalan energi menyatakan bahwa jumlah energi total(relativistik) sebelum dan sesudah reaksi adalah sama. Energi totaladalah jumlah energi kinetik (K) dan energi diamnya (E0).Pada reaksi di atas berlaku:(KX + E0X) + (Ka + E0a) = (KY + E0Y) + (Kb + E0b)(KY + Eb) + (KX + Ea) = (K0X + E0a) + (K0Y + E0b)(KY + Eb) + (KX + Ea) = {(m0X + m0a) + (m0Y + m0b)}c2Keterangan:K: energi kinetik (MeV)m0: massa diam inti atau partikel (MeV)Besarnya energi reaksi dirumuskan sebagai:Q = {(m0X + m0a) + (m0Y + m0b)}c2. . . (10.10)atauQ = (KY + Eb) + (KX + Ea). . . (10.11)
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2189D. Reaksi Fisi dan Reaksi FusiReaksi yang terjadi pada inti atom ada dua macam, yaitu reaksi fisidan reaksi fusi. Berikut akan kita pelajari lebih lanjut mengenai keduareaksi tersebut.1. Reaksi FisiReaksi fisi adalah reaksi pembelahan inti berat menjadi inti-intiringan disertai dengan pelepasan energi. Inti-inti baru hasil reaksidisebut sebagai fragmen fisi. Contoh reaksi fisi yang sering digunakanadalah reaksi pembelahan uranium–235 berikut.o23512369411920543800U + nX e +S r + n + nPada proses di atas, uranium–235 tereksitasi setelahmenyerap neutron, kemudian uranium membelah.Selain dengan cara di atas, reaksi fisi juga dapat terjadidengan cara menembakkan sinar gamma atau proton padainti target. Beberapa inti tak stabil dapat mengalami reaksifisi secara spontan. Reaksi ini biasanya didahului denganpeluruhan sinar gamma.Neutron yang dihasilkan akibat pembelahan padareaksi fisi dapat menginduksi fisi, sehingga fisi dapatberjalan dengan sendirinya. Jika hal ini berlangsung tanpakendali maka terjadi reaksi berantai dengan energi yangsangat dahsyat dan mengakibatkan kerusakan yang luarbiasa, seperti pada ledakan bom atom. Karena pada reaksifisi dilepaskan energi yang sangat besar yaitu sekitar 200MeV untuk setiap reaksi fisi yang terjadi.Jika Q > 0 reaksinya disebut reaksi eksotermik. Pada reaksieksotermik, sistem kehilangan energi massa diamnya tetapimendapat tambahan energi kinetik. Jika Q < 0 reaksinya disebutreaksi endotermik.d. Hukum kekekalan momentumHukum kekekalan momentum menyatakan bahwa jumlahmomentum relativistik sebelum reaksi sama dengan jumlahmomentum relativistik sesudah reaksi.Px + Pa = Py + Pbmxvx + mava = myvy + mbvbdengan 220=1 mmvcGambar 10.11 Ledakan bom denganhulu ledak nuklir hasil uji coba diNevada Amerika Serikat sekitar tahun1951 dan 1962Rep. www.lancs.acReaksi Fisi
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2190fragmen 1Gambar 10.12Ilustrasi terjadinya reaksi fisi berantaiUraniumnetronfragmen 22. Reaksi FusiReaksi fusi adalah reaksi penggabungan inti-inti ringan menjadiinti yang lebih berat disertai pelepasan energi. Reaksi fusi melepaskanenergi sekitar 1 MeV pernukleon.Berikut ini adalah beberapa contoh reaksi fusi.o12 311 2H + HHeJo112 1316 7H + CN +o234 1122 0H + HeHe + nReaksi fusi dapat dilakukan dalam laboratoriumdengan cara mempercepat deuteron. Reaktor fusi yangpernah dikembangkan oleh manusia antara lain JT–60 milik Jepang dan Tokamak milik Rusia.Reaksi fusi secara alamiah terjadi di matahari.Energi dari hasil reaksi fusi menjadi sumber energi matahari danbintang-bintang. Reaksi fusi semacam ini disebut sebagai fusitermonuklir. Diagram berikut menunjukkan mekanisme fusi padamatahari. Untuk menghasilkan reaksi fusi termonuklir tidaklah mudah.Hal ini dikarenakan reaksi termonuklir membutuhkan suhu yangsangat tinggi, yaitu sekitar 15.000.000 °C.Reaksi FusiGambar 10.13 Tokamak, sebuah reaktorfusi yang dikembangkan pada tahun 1933 diLaboratorium Fisika Universitas Princeton,New Jersey USARep. www.ppplQo11 2 0+11 1 11H + HH + + + e QQo11 2 0+11 1 11H + HH + + + e QJo21 311 22H + HH + + QJo21 311 22H + HH + + Qo33 41122 2113He + HeHe + H + H + QKeterangan:Q1: 0,42 MeVQ2: 5,49 MeVQ3: 12,86 MeVGambar 10.14 Diagram mekanisme reaksi fusi pada matahari
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2191Contoh SoalReaksi fusi di matahari dapat dianggap sebagai reaksi penggabungan empat buahproton menjadi inti matahari (He) dan dua buah positron. Jika diketahui 11H =1,007825 sma,42He = 4,002603 sma, 0+1e = 0,000537 sma,dan 1sma=931MeV.Tentukanlah energi yang dihasilkan per reaksi pada fusi matahari!Penyelesaian:Diketahui:11H= 1,007825 sma42He= 4,002603 sma0+1e= 0,000537 sma1 sma = 931MeVDitanyakan:Q = . . .?Jawab:Reaksi tersebut dapat ditulis sebagai berikut.o14 0+12 14H He + 2 eEnergi yang dihasilkan pada reaksi tersebut adalah:Q = {4 . 1,007825 – (4,002603 + 0,000537)} . 931MeV = 26,22 MeVAgar kamu lebih paham mengenai reaksi fusi, simaklah contoh soaldi bawah ini!Rangkuman1. Inti atom terdiri atas proton, neutron, dan partikel-partikel elementer.2. Massa atom terpusat pada inti atom.3. Stabilitas inti atom bergantung pada perbandingan jumlah proton dan jumlah neutronpenyusun inti atom.'m = {Z.mp + (A – Z) .mn} – mi5. Gaya inti adalah gaya khas pada inti atom yang bekerja pada jangkauan yangsangat pendek. Gaya inti mampu melawan gaya Coulomb maupun gaya atraksi.6. Ada 3 jenis sinar radioaktif, yaitu: alfa, beta, dan gamma.7. Mekanisme peluruhan alfa:oAA24ZZ22HeXY
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 21928. Mekanisme peluruhan beta:oXYeAA 0ZZ1-1oXYeAA 0ZZ1+19. Peluruhan sinar gamma terjadi karena adanya kelebihan energi pada inti atom.10. Laju peluruhan radioaktif dinyatakan sebagai aktivitas radioaktif. Besarnya lajupeluruhan radioaktif dinyatakan sebagai berikut.OdNNdt11. Waktu paruh adalah selang waktu yang diperlukan oleh suatu unsur radioaktifsehingga aktivitasnya tinggal separuh aktivitas awal.12. Reaksi inti adalah reaksi yang terjadi akibat tumbukan inti atom dengan suatupartikel.13. Reaksi fisi adalah reaksi pembelahan inti berat menjadi inti-inti ringan disertai denganpelepasan energi.14. Reaksi fusi adalah reaksi penggabungan inti-inti ringan menjadi inti yang lebih beratdisertai pelepasan energi.15. Reaktor adalah tempat berlangsungnya reaksi inti secara terkendali.
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 2193Soal-soal Uji KompetensiA.Pilihlah satu jawaban yang paling tepat!1. Dalam reaksi inti harus memenuhi . . . .(1) hukum kekekalan momentum(2) hukum kekekalan energi(3) hukum kekekalan nomor atom(4) hukum kekekalan nomor massaPernyataan yang benar adalah . . . .a. hanya (1), (2), dan (3)b. hanya (1) dan (3)c. hanya (2) dan (4)d. hanya (4)e. (1), (2), (3), dan (4)2. Jika massa proton dan neutronmasing-masing 1,008 dan 1,009 smamaka defek massa pada inti besarnyaadalah . . . .a. 0,012 smab. 0,184 smac. 0,118 smad. 0,119 smae. 0,120 sma3. Stabilitas inti tergantung pada . . . .a. jumlah protonb. jumlah neutronc. jumlah elektrond. perbandingan jumlah proton danneutrone. perbandingan jumlah proton danelektron4. Suatu partikel radioaktif diidentifikasimemiliki karakter berikut.1) Dibelokkan dalam medan magnet.2) Daya tembus rendah.3) Daya ionisasi rendah.4) Ditolak oleh benda bermuatanPartikel di atas kemungkinan adalah. . . .a. sinar alfab. sinar betac. positrond. sinar gammae. neutron5. Suatu inti 22993X memancarkan sinarradioaktif masing-masing 2 kali sinaralfa dan 2 kali sinar beta hinggaberubah menjadi inti Y. Nomor atomdan nomor massa yang benar untukY adalah . . . .a.22991Yb.23391Yc.22989Yd.22993Ye.23393Y6. Jika suatu inti radioaktif memiliki waktuparuh 3 . 106 tahun maka konstantapeluruhan inti tersebut adalah . . . .a. 2,31 . 10-6 tahun-1b. 2,31 . 10-7 tahun-1c. 2,31 . 10-8 tahun-1d. 2,31 . 10-9 tahun-1e. 2,31 . 10-10 tahun-17. Seorang peneliti menyimpan 100 gramsampel unsur radioaktif dengan waktuparuh 20 hari. Sisa sampel tersebutsetelah 2 bulan (1 bulan = 30 hari)adalah . . . .a. 50 gramb. 25 gramc. 12,5 gramd. 6,125 grame. 3,625 gram
Kompetensi Fisika Kelas XII Semester 21948. Perhatikan grafik aktivitas radioaktifberikut!A(Ci)50025062,5Ot (hari)X10Harga X adalah . . . .a. 20 harib. 30 haric. 40 harid. 50 harie. 60 hari9. Suatu unsur X memiliki nomor atomdan nomor massa masing-masing 87dan 211. Berdasarkan sejarahterbentuknya unsur tersebut berasaldari . . . .a.23290Thb.23293Npc.23892Ud.23592Ue.23692U10. Persamaan reaksi inti ketika suatu intisasaran X ditembak oleh sebuahpartikel a dan menghasilkan inti Yserta sebuah partikel b dapat ditulissebagai . . . .a.X + aoY + bb.Y + boX + ac.a + XoY + bd.a + Xob + Ye.b + Yoa + XB.Kerjakan soal-soal berikut dengan tepat!1. Jika diketahui:massa proton (11H) = 1,007825 smamassa neutron (10n) = 1,008665 sma1 sma = 931,4 MeV,tentukanlah energi ikat dan energi ikatper nukleon dari inti 2713Al dan 6530Zn!2. Jelaskan mekanisme peluruhan yangterjadi pada inti jika ia memancarkansinar alfa sebanyak 2 kali, beta 1 kalidan positron 1 kali. Anggaplah intitransmutasinya masing-masingadalah A, B, C, dan D!3. Suatu batuan mengandung 25%uranium-235 dan 75% timbal. Jikawaktu paruh uranium 7,07 . 108 tahun,berapakah umur batuan tersebut?4. Tentukan energi ikat inti dan massainti dari 19779Au jika energi ikat pernukleonnya 7,91 Mev!5. Berapa waktu paruh suatu zat radioaktifjika aktivitas setelah meluruh selama 75hari adalah132 aktivitas awal?