Halaman
248Fisika XII untuk SMA/MABab 11 Fisika Inti dan RadioaktivitasAktivitasWaktu paruhPeluruhanSinarradioaktivitasRadioaktivitasSinar alfaSinar betaSinar gammaReaksi intiReaksi fusiReaksi fisiReaktor nuklirBahaya radiasiInti atomProtonNeutronPETA KONSEPPETA KONSEPPETA KONSEPPETA KONSEPPETA KONSEP
249Bab 11 Fisika Inti dan Radioaktivitas11Sumber:Ensiklopedia Iptek,PT Lentera Abadi, 2005Reaktor nuklir menggunakan unsurradioaktivitas.Salah satu bahan bakar dalam stasiun pembangkit tenaga nuklir adalahuranium. Uranium merupakan salah satu unsur radioaktif yang memilikinomor atom tertinggi dari semua unsur atom. Energi dihasilkan ketikaintinya membelah membentuk unsur-unsur lain. Selain uranium, masihbanyak lagi unsur radioaktif yang sangat berguna bagi kita, karena unsurradioaktif adalah unsur yang mudah meluruh membentuk unsur lain. Nah,untuk mengetahui tentang unsur radioaktif dan reaksi pembelahan ataupeluruhannya ikuti pembahasan berikut ini.FISIKA INTI DANRADIOAKTIVITAS
250Fisika XII untuk SMA/MAInti atom merupakan partikel yang memiliki massadan bermuatan positif. Sifat-sifat utama dari atom secarakeseluruhan akan memengaruhi sifat zatnya. Jadi, untukmengetahui sifat-sifat molekul suatu zat akan lebih baikjika kita mempelajarinya mulai dari struktur inti zat yangbersangkutan.Struktur inti terdiri atas proton dan neutron yangdisebut nukleon. Pada tahun 1911, berdasarkan eksperimenyang dilakukannya, Rutherford berpendapat bahwamuatan positif atom dikonsentrasikan di pusat atomsebagai inti atom. Kemudian, ia melakukan eksperimendengan menembakkan partikel alfa pada atom yangdiamati. Berdasarkan pengamatannya, partikel yangditembakkan dihamburkan. Dari percobaan hamburanini diambil kesimpulan mengenai distribusi muatan listrikyang ada di dalam atom sasaran. Pada saat itu, Rutherfordbelum bisa menjelaskan tentang kestabilan inti atomsehingga gerak elektron di dalam atom belum bisadijelaskan. Tidak lama kemudian Niels Bohr mengembang-kan teori mengenai struktur atom berdasarkan penemuan-penemuan terdahulu. Sampai sekarang model atom Bohr-Rutherford terus dikembangkan dalam fisika nuklir.A.Partikel Penyusun Inti AtomSemua atom dapat diidentifikasi berdasarkan jumlahproton dan neutron yang dikandungnya. Jumlah protondalam inti setiap atom suatu unsur disebut nomor atom(Z ). Dalam suatu atom netral jumlah proton sama denganjumlah elektron, sehingga nomor atom juga menandakanjumlah elektron yang ada dalam atom. Nomor massa (A)adalah jumlah total neutron dan proton yang ada dalaminti atom suatu unsur. Secara umum sebuah inti atomdinotasikan:XAZJumlah neutron dalam suatu atom sama dengan selisihantara nomor massa dan nomor atom, atau A – Z. Sebuahatom memiliki tiga komponen dasar yang sangat pentingyaitu elektron, proton, dan neutron.Tabel 11.1 menunjukkan massa dan muatan dari ketigapartikel tersebut.massa atom, nomor atom,peluruhan, radioaktivitas,reaktor nuklir, waktuparuhGambar 11.1 Struktur intiatom.Neutron dan satu protonTritium memiliki dua neutronElektronProtonInti hidrogen biasa
251Bab 11 Fisika Inti dan RadioaktivitasGambar 11.2 Skema sebuahspektrometer massa.Tabel 11.1. Massa dan muatan partikel subatom○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○1. Massa AtomMassa suatu atom berhubungan erat dengan jumlahelektron, proton, dan neutron yang dimiliki atom tersebut.Berdasarkan perjanjian internasional, satu atom dari isotopkarbon (disebut karbon-12) yang mempunyai enamproton dan enam neutron memiliki massa tepat 12satuanmassa atom (sma). Atom karbon-12 ini dipakai sebagaistandar, sehingga satu satuan massa atom didefinisikansebagai suatu massa yang besarnya tepat sama denganseperduabelas massa dari satu atom karbon-12.Massa satu atom karbon-12 = 1 sma.1 sma = 1212karbon-atomsatumassa = 1,66056 × 10-27kgSatuan massa atom juga dapat dinyatakan berdasarkanprinsip kesetaraan massa dan energi yang dikemukakanoleh Einstein. Sehingga diperoleh:E = mc 2 =-2782-19(1, 66056 10 kg )(3 10 m/s) 931, 5 MeV1, 6 10 J/eV××=×Inti sebuah massa atom hampir mengandungseluruh massanya. Hal ini karena inti merupakan tempatterkonsentrasi seluruh massa atom (sesuai model atomRutherford). Alat yang dapat digunakan untuk mengukurmassa atom disebut spektrometer massa, seperti yangditunjukkan pada Gambar 11.2.Pada sebuah spektrometer massa, suatu sampel gasditembak oleh aliran elektron berenergi tinggi. Tumbukanantara elektron dan atom (atau molekul) gas menghasilkanion positif dengan terlepasnya satu elektron dari tiap atomatau molekul. Ion-ion tersebut sampai pada sebuahdetektor, yang mencatat arus listrik dari tiap jenis ion.BerkaselektronSampelgasFilamenBerkas ionMagnetLempengpemercepatLayardeteksilekitraP)g(assaMnatauMbmoluoCassaMnautaSnortkelE01x93901,982-01x2206,1-91-1-notorP01x26276,142-01x2206,1+91-1+nortueN01x39476,142-00
252Fisika XII untuk SMA/MA2. Defek MassaDefek massa menunjukkan selisih antara massa diamsebuah inti atom dan jumlah seluruh massa diam masing-masing nukleonnya dalam keadaan tak terikat. Jadi, defekmassa adalah kesetaraan massa energi ikat berdasarkanpersamaan massa-energi.Isotop dengan jumlah proton Zdan jumlah neutron(A – Z ) memiliki massa inti sebesar:mi = Z.mp + (A – Z ) mn......................................(11.1)Dengan mp adalah massa proton dan mn adalah massaneutron. Berdasarkan pengukuran diperoleh hasil bahwamassa inti atom lebih kecil daripada massa nukleon.Menurut hukum kesetaraan massa dan energi, besarnyadefek massa dinyatakan:m = Z.mp + (A – Z ) mn– mi.................................(11.2)Defek massa atau susut massa timbul karena untukmenyusun inti diperlukan energi yang mengikat semuanukleon, yang disebut energi ikat (binding energy), yangdiperoleh dari massa inti. Berdasarkan teori relativitasEinstein mengenai kesetaraan antara massa dan energidiberikan oleh:EΔ = (mΔ)c2.........................................................(11.3)dengan c adalah kecepatan cahaya.Jumlah arus listrik yang dihasilkan sebanding denganjumlah ion, sehingga dapat ditentukan kelimpahan relatifdari isotop-isotopnya.3.Ukuran dan Bentuk IntiEksperimen hamburan Rutherford membuktikanbahwa inti mempunyai ukuran dan bentuk. Volume intiberbagai atom mempunyai nilai yang berbanding lurusdengan banyaknya nukleon yang dikandungnya. Hal iniberarti kerapatan nukleonnya hampir sama dalam bagiandalam inti. Inti atom tidak mempunyai permukaan yangjelas. Meskipun demikian, sebuah inti atom tetapmempunyai jari-jari rata-rata. Jari-jari inti bergantung padamassa, jumlah proton, dan neutron. Jari-jari inti dirumuskansecara empiris sebagai suatu pendekatan, yaitu: R = R0.31A......................................................(11.4)dengan:A= nomor massa atomR= jari-jari inti (fm)R0= 1,2× 10-15 mDerek massa Δm dinyatakandalam sma, maka energi ikatinti, Δe dirumuskan:ΔE = Δm (931 MeV/sma)Sifat-sifat kimia karbonditentukan oleh enam muatannegatifnya. Dalam atomkarbon-12, inti jugamempunyai enam neutron,yang massanya kira-kira samadengan proton, membuatbilangan massa atom 12.
253Bab 11 Fisika Inti dan RadioaktivitasInti suatu atom telah kita anggap sebagai bola. Tetapi,pada kenyataannya beberapa inti atom mempunyaidistribusi muatan tidak simetri bola. Oleh karena volumebola berbanding lurus dengan R3, maka persamaan (11.4)menunjukkan bahwa volume inti berbanding lurusdengan nomor massanya. Karena itu, untuk semua intikecepatannya berbanding lurus dengan AR3, sehinggadengan pendekatan tertentu, semua inti mempunyaikerapatan yang sama, yaitu:ρ = Vmρ = 3.34Rmπ......................................................(11.5)Kerapatan inti mempunyai nilai konstan di bagiandalam inti dan nilai tersebut akan berkurang menuju noldi seluruh daerah permukaan yang kabur.Contoh SoalBerapakah kerapatan inti dari O168?Penyelesaian:Dengan anggapan inti berbentuk bola, maka volumenya V = π34R3, sehingga:R= (1,2).31AfmV= 133-154 1,2 10.3A⎛⎞π×⎜⎟⎜⎟⎝⎠= π34(1,2)3 × 10-45A= 34(3,14)(1,2)3 (10-45)(16)V= 1,16 × 10-43 m3Sehingga, ρ= Vm= ()-27-43316 sma (1, 66056 10 kg/sma)1,16 10 m××= 2,3×1017 kg/m3
254Fisika XII untuk SMA/MA4. Energi Ikat Inti dan Stabilitas IntiPada umumnya, inti yang memiliki nukleon yanglebih besar memiliki tingkat stabilitas inti yang rendah.Sehingga, tingkat stabilitas suatu inti ternyata tidak selaluditentukan oleh besarnya energi ikat inti. Karena itu,besarnya energi yang berhubungan langsung denganstabilitas inti adalah energi ikat per nukleon yang besarnyadapat dihitung melalui persamaan: En= AEdengan:En= energi ikat per nukleon (MeV)E= energi ikat inti (MeV)A= jumlah nukleon5. Gaya IntiGaya Inti adalah gaya yang mengikat nukleon-nukleon, dengan kata lain gaya antarnukleon. Gaya Intiternyata amat kuat tetapi jangkauannya amat pendek, dantidak tergantung jenis nukleon, yaitu gaya antara protondengan proton sama dengan gaya antara proton denganneutron, maupun antara neutron dengan neutron. Iniberarti, bahwa gaya inti tidak bergantung pada muatanlistrik nukleon (charge independent). Selanjutnya,ternyata gaya inti itu bersifat jenuh (saturated), yaitu setiapnukleon hanya tarik-menarik dengan nukleon disekitarnya, seperti halnya gaya Van der Walls antarmolekulcairan. Sifat jenuh gaya inti ini diamati berdasarkankejenuhan tenaga ikat per nukleon yang sekitar 8 MeV untuksemua unsur yang bilangan massanya A melebihi 60, sepertiyang diperlihatkan oleh grafik pada Gambar 11.3.Contoh SoalMassa atom O168 adalah 15,995 sma; hidrogen 1,0078 sma; dan neutron 1,0087sma. Tentukan:a.massa total partikel pembentuk,b.defek massa,c.energi ikat inti oksigen,d. energi ikat rata-rata per nukleon!Gambar 11.3 Energi ikat pernukleon unsur-unsur dengannomor atom.Energi ikat (MeV)Nomor atomRichard Feyman (1918- 1988)mendapat hadiah Nobel padatahun 1965 berkat karyanyamengenai gaya antara partikeldan radiasi elektromagnetik.Ia dianggap guru yang sangatcemerlang dan terkenalkarena gurauannya yangpraktis sederhana.
255Bab 11 Fisika Inti dan RadioaktivitasPenyelesaian:Besaran yang diketahui:mi= 15,995 smaZ= 8 neutron= A – Zmp= mH = 1,0078 smaA= 16= 16 – 8 = 8mn= 1,0087 smaa.Massa total nukleon= massa total proton + massa total neutron= 8 mp + 8 mn= 8 (mp + mn)= 8 (1,0078 + 1,0087)= 16,132 smab.m= Z.mp + ( A – Z )mn – mi= 8 (1,0078) + (16 – 8) (1,0087) – 15,995= 0,137 smac.E= m (931 MeV/sma)= (0,137 sma) (931,5 MeV/sma)= 127,62MeVd.En= AE= nukleon 16MeV 127,62= 7,97625 MeV/nukleon○○○○○○○○○○○○○○Uji Kemampuan 11.1○○○○○○○○○○○○○○1 .Jari-jari inti atom karbon adalah sekitar 3 × 10-15 m dan massanya adalah 12u.a.Tentukan massa jenis rata-rata material nuklir!b. Berapa kali lebih rapat daripada air?2. Atom Ni6028 memiliki massa atom 59,930 sma. Jika diketahui massa proton,neutron, dan elektron masing-masing adalah 1,0073 sma; 1,0087 sma; dan0,00054900 sma, tentukan defek massa dan energi ikat inti!B.RadioaktivitasRadioaktivitas disebut juga peluruhan radioaktif,yaitu peristiwa terurainya beberapa inti atom tertentusecara spontan yang diikuti dengan pancaran partikelalfa (inti helium), partikel beta (elektron), atau radiasigamma (gelombang elektromagnetik gelombang pendek).
256Fisika XII untuk SMA/MASinar-sinar yang dipancarkan tersebut disebut sinarradioaktif, sedangkan zat yang memancarkan sinarradioaktif disebut dengan zat radioaktif.Istilah keradioaktifan (radioactivity) pertama kalidiciptakan oleh Marie Curie (1867 - 1934), seorang ahlikimia asal Prancis. Marie dan suaminya, Pierre Curie(1859 - 1906), berhasil menemukan unsur radioaktif baru,yaitu polonium dan radium. Ernest Rutherford (1871 -1937) menyatakan bahwa sinar radioaktif dapat dibedakanatas sinar alfa yang bermuatan positif dan sinar beta yangbermuatan negatif. Paul Ulrich Villard (1869 - 1915),seorang ilmuwan Prancis, menemukan sinar radioaktifyang tidak bermuatan, yaitu sinar gamma.1. Jenis Sinar RadioaktifBerdasarkan partikel penyusunnya, sinar radioaktifdibagi menjadi tiga, yaitu sinar alfa, sinar beta, dan sinargamma.a. Sinar Alfa (Sinar α)Sinar alfa adalah sinar yang dipancarkan oleh unsurradioaktif. Sinar ini ditemukan secara bersamaan denganpenemuan fenomena radioaktivitas, yaitu peluruhan intiatom yang berlangsung secara spontan, tidak terkontrol,dan menghasilkan radiasi. Sinar alfa terdiri atasduaproton dan dua neutron. Berikut ini adalah sifat alamiahsinar alfa.1) Sinar alfa merupakan inti He.2)Dapat menghitamkan pelat film (yang berarti memilikidaya ionisasi). Daya ionisasi sinar alfa paling kuatdaripada sinar beta dan gamma.3)Mempunyai daya tembus paling lemah di antaraketiga sinar radioaktif.4)Dapat dibelokkan oleh medan listrik maupun medanmagnet.5)Mempunyai jangkauan beberapa sentimeter di udaradan 102 mm di dalam logam.b. Sinar Beta (Sinar β)Sinar beta merupakan elektron berenergi tinggi yangberasal dari inti atom. Berikut ini beberapa sifat alamiahsinar beta.1)Mempunyai daya ionisasi yang lebih kecil dari sinar alfa.Gambar 11.5Unsur uraniumsalah satu unsur radioaktif.Sumber: Jendela Iptek Materi, PT BalaiPustaka, 2000Gambar 11.4Piere Curie danistrinya Marie CurieSumber: Encarta Encyclopedia, 2006
257Bab 11 Fisika Inti dan Radioaktivitas2)Mempunyai daya tembus yang lebih besar daripadasinar alfa.3)Dapat dibelokkan oleh medan listrik maupun medanmagnet.c. Sinar Gamma (Sinar γ )Sinar gamma adalah radiasi gelombang elektro-magnetik yang terpancar dari inti atom dengan energiyang sangat tinggi yang tidak memiliki massa maupunmuatan. Sinar gamma ikut terpancar ketika sebuah intimemancarkan sinar alfa dan sinar beta. Peluruhan sinargamma tidak menyebabkan perubahan nomor atommaupun massa atom. Sinar gamma memiliki beberapasifat alamiah berikut ini.1) Sinar gamma tidak memiliki jangkauan maksimal diudara, semakin jauh dari sumber intensitasnya makinkecil.2)Mempunyai daya ionisasi paling lemah.3)Mempunyai daya tembus yang terbesar.4) Tidak membelok dalam medan listrik maupun medanmagnet.2. Peluruhan Radioaktifa. Peluruhan Sinar AlfaSuatu inti yang tidak stabil dapat meluruh menjadi intiyang lebih ringan dengan memancarkan partikel alfa (intiatom helium). Pada peluruhan alfa terjadi pembebasanenergi. Energi yang dibebaskan akan menjadi energikinetik partikel alfa dan inti anak. Inti anak memilikienergi ikat per nukleon yang lebih tinggi dibandingkaninduknya.Jika inti memancarkan sinar α (inti He42), maka intitersebut kehilangan 2 proton dan 2 neutron, sehingga Zberkurang 2, n berkurang 2, dan A berkurang 4.Persamaan peluruhannya:XAZ→Y42−−AZ + He42(inti induk)(inti anak)Contoh:U23892→Th23490 + He42Ra22688→Ra22286 + He42Ernest Rutherfordmenemukan bahwa partikel αadalah atom-atom heliumtanpa elektron dan partikel αatau β keluar dari atom, jenisatom berubah. Perubahandemikian dapat menyebabkanradiasi γ.
258Fisika XII untuk SMA/MAb. Peluruhan Sinar BetaSalah satu bentuk peluruhan sinar beta adalahpeluruhan neutron. Neutron akan meluruh menjadi pro-ton, elektron, dan antineutrino. Antineutrino merupakanpartikel netral yang mempunyai energi, tetapi tidakmemiliki massa. Bentuk peluruhan sinar beta yang lainadalah peluruhan proton. Proton akan meluruh menjadineutron, positron, dan neutrino. Neutrino memiliki sifatyang sama dengan antineutrino. Peluruhan sinar betabertujuan agar perbandingan antara proton dan neutrondi dalam inti atom menjadi seimbang sehingga inti atomtetap stabil.Jika inti radioaktif memancarkan sinar beta (β) makanomor massa inti tetap (jumlah nukleon tetap), tetapinomor atom berubah. Terjadi dua proses peluruhan, yaitu:XAZ→Y1AZ+ + 0-1βX = inti indukXAZ→Y1AZ− + β+01Y = inti anakContoh:C146→C147 + 0-1βN127→C126 + β+01c. Peluruhan GammaSuatu inti atom yang berada dalam keadaan tereksitasidapat kembali ke keadaan dasar (ground state) yang lebihstabil dengan memancarkan sinar gamma. Peristiwa inidinamakan peluruhan sinar gamma. Atom yang tereksitasibiasanya terjadi pada atom yang memancarkan sinar alfamaupun sinar beta, karena pemancaran sinar gammabiasanya menyertai pemancaran sinar alfa dan sinar beta.Peluruhan gamma hanya mengurangi energi saja, tetapitidak mengubah susunan inti.Seperti dalam atom, inti atom dapat berada padakeadaan eksitasi, yaitu keadaan inti yang tingkat energinyalebih tinggi dari keadaan dasarnya. Inti yang berada padakeadaan eksitasi diberi tanda star (*). Keadaan eksitasi intiini dihasilkan dari tumbukan dengan partikel lain.Persamaan peluruhan sinar gamma:X*AZ→XAZ + γInti yang berada dalam keadaan eksitasi pada umumnyaterjadi setelah peluruhan. Misalnya:B125→∗C126 + 0-1β∗C126→C126 + γ00Peluruhan alfa menyebabkannomor atom berkurang duadan nomor massa berkurangempat, dan karena itu sebuahinti baru akan terbentuk.Adapun pada peluruhan betaakan menambah ataumengurangi nomor atomsebesar satu (nomor massatetap sama).Sumber: Jendela Iptek Materi, PT BalaiPustaka, 2000Gambar 11.6 Reaksipeluruhan unsur radioaktif.
259Bab 11 Fisika Inti dan Radioaktivitas3. Deret RadioaktifDeret radioaktif merupakan deret nuklida radioaktif.Pada deret ini setiap anggotanya terbentuk dari hasilpeluruhan nuklida sebelumnya. Deret akan berakhirdengan nuklida stabil. Ada empat deret radioaktif alamiah,yaitu deret torium, neptunium, uranium, dan aktinium.a.Deret ToriumDeret torium dimulai dari inti induk Th23290danberakhir pada inti Pb20883. Deret ini juga disebutdengan deret 4n, sebab nomor massanya selalukelipatan 4.b.Deret NeptuniumDeret neptunium dimulai dari induk Np23793danberakhir pada inti Bi20983. Deret ini juga disebut deret(4n +1), karena nomor massanya selalu dapatdinyatakan dalam bentuk 4n +1.c.Deret UraniumDeret uranium dimulai dari inti induk U23592danberakhir pada Pb20782. Deret ini disebut juga deret(4n +2), karena nomor massanya selalu dapatdinyatakan dalam bentuk 4n + 2.d.Deret AktiniumDeret aktinium dimulai dari inti induk U dan berakhirpada Pb. Deret ini juga disebut deret (4n +3),sebab nomor massanya selalu dapat dinyatakan dalambentuk 4n + 3.4. Aktivitas RadioaktifAktivitas radioaktif didefinisikan sebagai jumlah atomsuatu bahan radioaktif yang meluruh per satuan waktu.Dapat dirumuskan:A =-dNdt...............................................................(11.6)Dengan N adalah jumlah inti radioaktif dan t adalahwaktu peluruhan.Berdasarkan eksperimen, menunjukkan bahwa jumlahinti atom radioisotop yang meluruh sebanding denganselang waktu dt selama peluruhan, dengan tetapankesebandingan λ, yang dinamakan tetapan radioaktif sebagaiukuran laju peluruhan, yang ternyata hanya tergantungpada jenis radioisotop, dan tidak tergantung keadaansekitarnya, serta tidak dapat dipengaruhi oleh apapun.
260Fisika XII untuk SMA/MASehingga, peluruhan radioaktif dapat dituliskan dalampersamaan:-dNN = dt . λ..........................................................(11.7)Persamaan (11.7) dapat diselesaikan denganpersamaan integral, sehingga diperoleh:NdN= -λ.dt0NNdNN∫= -λt0∫dtln 0NN= -λ.t0NN= -teλN = N0.-teλ........................................................(11.8a)N0 = teNλ.............................................................(11.8b)Yang menunjukkan penurunan eksponensial terhadapwaktu.Satuan RadioaktivitasSatuan radiasi ini merupakan satuan pengukuranyang digunakan untuk menyatakan aktivitas suaturadionuklida dan dosis radiasi ionisasi.Satuan SI untuk radioaktivitas adalah becquerel (Bq),merupakan aktivitas sebuah radionuklida yang meluruhdengan laju rata-rata satu transisi nuklir spontan per sekon.Jadi,1 Bq = 1 peluruhan/sekonSatuan yang lama adalah curie (Ci), di mana 1 curie setaradengan 3,70 × 1010 Bq, atau1 Ci = 3,7× 1010 Bq.5. Waktu ParuhWaktu paruh adalah waktu yag diperlukan oleh zatradioaktif untuk berkurang menjadi separuh (setengah) darijumlah semula. Dengan mengetahui waktu paruh suatuunsur radioaktif, dapat ditentukan jumlah unsur yangmasih tersisa setelah selang waktu tertentu. Setiap unsurradioaktif mempunyai waktu paruh tertentu, misalnyakarbon -14 (C-14) memiliki waktu paruh 5.730 tahun.Dari persamaan (11.8a) maka:Henry Becquerel seorang ahlifisika dari Prancis. Atasjasanya di bidangradioaktivitas, namanyadiabadikan sebagai satuanradioaktivitas.
261Bab 11 Fisika Inti dan Radioaktivitasuntuk t = TN = 21N0sehingga, 21N0= N0.-teλλ.T= ln 2λ= 0, 693TT = λ693,0......................................................(11.9)Dari persamaan (11.9), maka dapat ditentukan jumlahinti radioaktif setelah peluruhan maupun aktivitasradioaktif setelah peluruhan melalui persamaan:N = N0 Tt⎟⎠⎞⎜⎝⎛21.......................................................(11.10)A = A0 Tt⎟⎠⎞⎜⎝⎛21.........................................................(11.11)Contoh Soal1. Inti Ra22688 memiliki waktu paruh 3106,1× tahun. Jumlah inti 3×1016.Berapakah aktivitas inti pada saat itu?Penyelesaian:Besaran yang diketahui: N = 3×1016T = (1,6×103 th)(3,16×107ths)T = 5,1×1010 ssehingga:λ= 0, 693Tλ= s 101,5693,010×= 0,14×10-10 = 1,4 ×10-11/sA= λ . N= (1,4×10-11)(3×1016)= 4,2×105 peluruhan/sA= 4,2 Bq2. Grafik di samping merupakan grafik peluruhansampel radioaktif. Jika N = ¼ N0 = 1020 inti,tentukan:a.waktu paruh unsur radioaktif tersebut,b. konstanta peluruhannya,c.aktivitas radioaktif mula-mula!6Nt (s)1 N04
262Fisika XII untuk SMA/MAPenyelesaian:a.Dari data grafik:N = ¼ N0 untuk t = 6 s, sehingga:N = N0Tt⎟⎠⎞⎜⎝⎛21¼ N0= N0T621⎟⎠⎞⎜⎝⎛2 = T6T = 3 sekonb.Konstanta peluruhanλ= T693,0λ= 3693,0 = 0,231 peluruhan/sekonc.A= λ.N0= (0,231)(4 ×1020)= 0,924 × 1020A= 9,24 × 1020 peluruhan/sekonA= 9,24 × 1019 BqTujuan:Melakukan percobaan simulasi waktu paruh.Alat dan bahan : Kacang hijau, kotak kayu.Cara Kerja:1. Ambillah sebuah kotak dan lubangilah pada bagian dua sudut pada dasarkotak berurutan.2.Dengan sudut ditutup, isilah kotak itu dengan sejumlah kacang hijau sampaihampir penuh.3. Goyangkan kotak dan hitunglah kacang hijau yang keluar dari kotak.4. Ulangilah langkah 3 sampai kacang hijau dalam kotak habis.5. Jika jumlah kacang hijau yang keluar pada setiap goyangan dimisalkan Ndan setiap kali goyangan adalah T, catatlah hasilnya dengan mengikutiformat berikut ini.Kegiatan(-eknagnayoGT)(rauleKgnaygnacakhalmuJN)123tsd
263Bab 11 Fisika Inti dan Radioaktivitas3. Bahaya RadiasiRadiasi dapat menimbulkan kerusakan, yaituperubahan yang membahayakan yang berlangsung padabenda mati dan makhluk hidup akibat pemaparanterhadap elektron berenergi, nukleon, fragmen fisi, atauradiasi elektromagnetik energi tinggi. Pada benda mati,kerusakan dapat disebabkan oleh eksitasi, ionisasi,perubahan elektronik, atau perpindahan atom. Padamakhluk hidup, mekanisme-mekanisme tersebut dapatmengakibatkan perubahan-perubahan pada sel yangmengganggu struktur genetiknya, keikutsertaan padapembelahan sel, atau bahkan membunuh sel tersebut.Diskusi:1. Buatlah grafik hubungan Ndan T !2. Apakah yang dapat disimpulkan dari percobaan yang telah kalian lakukan?Mengungkap Umur Makhluk Hidupyang Pernah AdaKarbon-14 meluruh menjadi karbon-12,namun ia terus-menerus terbentuk karenasinar kosmis membentur atom-atom nitro-gen di atmosfer atas sehingga jumlahnyadi udara tetap. Hal ini menyebabkanperbandingan karbon-14 dan karbon-12tetap sepanjang hidup suatu makhluk hidup.Setelah mati, karbon-14 terus meluruh danPercikan Fisikatidak tergantikan. Maka, perbandingan karbon-14 dan karbon-12 dapat mengungkapkanumur tumbuhan atau hewan yang pernah hidup sampai 40.000 tahun yang lalu.Spektrometer massa akselerator menghitung jumlah karbon-14 yang ada.○○○○○○○○○○○○○○Uji Kemampuan 11.2○○○○○○○○○○○○○○1.Waktu paruh radium adalah 1,62× 103 tahun dan berat atom radium adalah226 kg/kmol. Berapa lama atom radium meluruh dalam 1 sekon pada 1 gramsampel radium?2. Sebuah inti 239Pu mengalami peluruhan alfa dengan waktu paruh selama2,41 × 104 tahun. Hitunglah daya keluaran yang dapat diperoleh dari 2 graminti tersebut!
264Fisika XII untuk SMA/MAPada manusia, perubahan-perubahan ini dapat menyebab-kan penyakit radiasi, luka bakar akibat radiasi (akibat dosistinggi radiasi), atau berbagai macam kerusakan jangkapanjang. Akibat paling berbahaya adalah dapat menyebab-kan berbagai jenis kanker. Kerusakan-kerusakan tersebutdapat terjadi karena radiasi dapat melewati atau menembussuatu benda. Jenis dan tingkat kerusakan tergantung padabeberapa faktor, antara lain jenis dari energi radiasi sertasifat dari medium. Sebagai contoh, logam yang diperguna-kan di dalam reaktor. Strukturnya dapat menjadi lemahkarena mendapat fluks neutron berenergi tinggi.Dosis SerapSuatu ukuran untuk menyatakan sejauh mana materitelah dikenai radiasi ionisasi disebut dosis. Dosis Serapmenyatakan energi per satuan massa yang diserap olehmateri akibat radiasi tersebut. Besarnya dosis serap dapatdirumuskan: D = mE........................................................... (11.12)Dengan D adalah dosis serap, E menyatakan besarnyaenergi yang diberikan oleh radiasi pengion, dan m adalahmassa yang menyerap energi tersebut.Dalam satuan SI, dosis serap dinyatakan dalam Gray(Gy), yaitu dosis terserap bila energi per satuan massayang diberikan pada materi oleh radiasi ionisasi memilikinilai 1 joule per kilogram. Satuan terdahulu adalah rad(rd), yang nilainya setara dengan 10-2 Gy.Dosis maksimum yang diizinkan (maximum permissibledose) adalah batas atas dosis terserap yang boleh diterimamanusia atau anggota tubuh dalam selang waktu tertentu,yang dianjurkan oleh Dewan Internasional untuk Perlindung-an Radiologi (International Comission on RadiologicalProtection).Hans Geiger memberipenghitung Geiger kepadaJames Chadwick pada tahun1932 untuk mengukur tingkatradiasi. Jika partikel α atau βmemasuki alat penghitung initerjadinya letupan kecil aruslistrik antara tabung dankawat yang dideteksi olehpenghitung.Contoh SoalSeberkas partikel α melewati daging dan mengendapkan 0.2 J energi di dalamsetiap kilogram daging. Tentukan dosisnya dalam Gy!Penyelesaian:Diketahui:E=0,2 Jm=1 kgDitanya:D=...?Jawab:D=mE = 12,0 = 0,2 Gy
265Bab 11 Fisika Inti dan RadioaktivitasReaksi IntiC.Reaksi inti sangat berbeda dengan reaksi kimia, karenapada dasarnya reaksi inti ini terjadi karena tumbukan(penembakan) inti sasaran (target) dengan suatu proyektil(peluru). Secara skematik reaksi inti dapat digambarkan:○○○○○○○○○○○○○○Uji Kemampuan 11.3○○○○○○○○○○○○○○Sebuah tumor pada kaki seseorang memiliki massa 3 gram. Berapakah energiyang dibutuhkan untuk dosis 8 Gy?James Chadwick menemukanneutron denganmendedahkan berillium logamke partikel. Ia menemukanjenis partikel baru yang keluardari intinya, yaitu neutron.Selanjutnya, dia menelitideugerium (hidrogen berat).Isotop ini ditemukan padatahun 1932 dan digunakanuntuk reaktor nuklir.Pada reaksi inti ini terjadi perubahan unsur karenaditumbuk zarah nuklir atau zarah radioaktif yang dapatdinyatakan oleh persamaan reaksi:A + a →B + b + Q............................................. (11.13)atauA (a, b) Bdengan A adalah unsur semula, B adalah unsur yangterjadi, adan b adalah zarah yang ditumbukkan dan yangterpental, dan Q adalah energi panas yang mungkintimbul dalam reaksi inti tersebut.Apabila b = a, dan B = A, maka pada reaksi tersebutadalah hamburan. Misalnya:26Mg + p→26Mg + p +γdengan p adalah proton.Dalam hal ini, hamburannya tidak elastis dengan energikinetik proton yang terdisipasi untuk mengeksitasi intiMg yang pada deeksitasinya mengeluarkan sinar gamma.Pada reaksi inti berlaku hukum:a.kekekalan momentum linier dan momentum sudut,b. kekekalan energi,c.kekekalan jumlah muatan (nomor atom),d. kekekalan jumlah nukleon (nomor massa).Dengan demikian, momentum, energi, nomor atom, dannomor massa inti-inti sebelum reaksi harus sama denganmomentum, energi, nomor atom, dan nomor massa inti-inti setelah reaksi.+Inti sasaran(Target)Proyektil(Peluru)Inti Hasil(Produk)+Partikel yangdiamatiEnergi+
266Fisika XII untuk SMA/MAEnergi Reaksi IntiSuatu reaksi inti bisa menghasilkan atau memerlukanenergi. Besarnya energi Q bisa dihitung berdasarkan reaksipada persamaan (11.13). Dalam perhitungan energi reaksiinti, semua massa inti dinyatakan dalam satuan sma(satuan massa atom). Menurut Einstein, energi total yangdimiliki suatu massa m adalah: E = m.c 2........................................................ (11.14)denganc adalah kelajuan cahaya (3 ×108 m/s).Dari persamaan (11.14) untuk 1 sma, energi yang dimilikiadalah 931,5 MeV. Dengan demikian, persamaan energi(berdasarkan hukum kekekalan energi) dapat dituliskan:(mA + ma) 931,5 MeV = (mB + mb) 931,5 MeV + QatauQ = {(mA + ma) – (mB + mb)} 931,5 MeV ......... (11.15)Dari persamaan (11.15), jika diperoleh nilai Q > 0, makareaksinya disebut reaksi eksoterm, yaitu reaksi di manaterjadi pelepasan energi. Sebaliknya, jika Q < 0, makareaksinya disebut reaksi endoterm, yaitu reaksi yangmemerlukan energi.Persamaan (11.15)menunjukkan bahwa pada prinsip-nya, energi reaksi adalah sama dengan perubahan massainti sebelum reaksi dan sesudah reaksi. Hal inilah yangdinyatakan Einstein sebagai kesetaraan massa-energi.Contoh SoalHitunglah energi yang dibebaskan pada reaksi (1 sma = 931,5 MeV):()C , Be12694nαJika mBe= 9,012 sma, mn = 1,008 sma,αm= 4,002 sma, mc = 12,000 sma!Penyelesaian:Reaksi inti: Be94 + α42→ C + n + QQ= {(mBe + αm) – (mc + mn)}× 931,5 MeV= {(9,012 + 4,002) – (12,000 + 1,008)}× 931,5 MeV= {13,014 – 13,008} × 931,5 MeV= 0,006 × 931,5 MeVQ= 5,589 MeV
267Bab 11 Fisika Inti dan Radioaktivitas1. Reaksi FisiReaksi fisi (pembelahan inti) adalah reaksi nuklir yangmelibatkan pembelahan sebuah inti berat (seperti ura-nium) menjadi dua bagian (hasil fisi), yang kemudianmemancarkan dua atau tiga neutron, sambil melepaskansejumlah energi yang setara dengan selisih antara massadiam neutron dan hasil fisi dengan jumlah massa diaminti awal. Fisi dapat terjadi spontan atau sebagai akibatirradiasi neutron. Misalnya, fisi inti uranium-235 olehsebuah neutron lambat akan berlangsung sebagai berikut:235U + n→148La + 85Br + 3nEnergi yang dilepaskan kira-kira 3×10-11 J per satu inti235U. Untuk 1 kg 235U, energi yang dihasilkan setaradengan 20.000 megawatt.jam, sama dengan jumlah energiyang dihasilkan oleh pembakaran 3×106 ton batubara.Fisi nuklir n merupakan proses yang digunakan di dalamreaktor nuklir dan bom atom.Pada suatu reaktor nuklir, reaksi fisi dapat dimanfaat-kan sebagai pusat pembangkit tenaga listrik, karenareaksinya bisa dikendalikan. Sebaliknya, reaksi fisi yangtidak terkendali akan menghasilkan ledakan energi, sepertipada bom atom.Contoh SoalPerhatikan reaksi fisi berikut!U23592 + n10→Ba13856 + Nb9341 + n510 + 0-15e235,0439 1,0087 137,9050 92,9060 1,0087 0,00055Hitunglah energi yang dibebaskan pada fisi 1 kg atom!Penyelesaian:Diketahui:235113893109205641 0-1UBaNb55nne+→ + + +mu=235,0439mNb=92,9060mn= 1,0087me=0,00055mBa=137,9050Gambar 11.7 Reaksi fisi dariuranium.Sumber: Encyclopedia Britannica, 2005○○○○○○○○○○○○○○Uji Kemampuan 11.4○○○○○○○○○○○○○○Neon-23 mengalami peluruhan beta dengan cara sebagai berikut:v e Na Ne000123112310++→−.Tentukan energi minimum dan maksimum yang dapat dimiliki partikel beta e01−!Massa atom yang terkait adalah 22,9945 u untuk 23Ne; 22,9898 u untuk 23Na;dan massa partikel beta adalah 0,00055 u.
268Fisika XII untuk SMA/MAGambar 11.9 Tokamak reaktorfusi percobaan.Gambar 11.8 Reaksi fusiuranium.medanmagnettoroidaarusplasmamedanmagnetpoloidalplasmagarismedanmagnetkumparanDitanya:Energi = ...?Jawab:Q = {(mu + mn) – (mBa + mNb + 5mn + 5me)} × 931 MeV/sma={(235,0439 + 1,0087) – (137,9050 + 92,9060 +(5 × 1,0087) + (5 × 0,00055)} × 931= 181,87085 MeV1 kg atom =-271181,87085235, 04391, 66 10××= 4,66 × 1026MeV2. Reaksi FusiReaksi fusi (penggabungan inti) adalah reaksi nukliryang melibatkan penggabungan inti-inti atom dengannomor atom kecil untuk membentuk inti yang lebih beratdengan melepaskan sejumlah besar energi. Dalam reaksifisi, sebuah neutron dipergunakan untuk membelahsebuah inti yang besar, tetapi dalam reaksi fusi nuklir,dua inti yang bereaksi harus saling bertumbukan. Karenakedua inti bermuatan positif, maka timbul gaya tolak yangkuat antarinti, yang hanya dapat dilawan bila inti yangbereaksi memiliki energi kinetik yang sangat besar. Padatemperatur tinggi, reaksi fusi berlangsung sendiri, reaktanpada temperatur ini berada dalam bentuk plasma (dengankata lain inti dan atom bebas) dan inti memiliki energiyang cukup untuk melawan gaya tolak elektrostatik. Bomfusi dan bintang-bintang menghasilkan energi dengan caraseperti ini. Diharapkan metode ini akan digunakan dalamreaktor termonuklir, sebagai sumber energi untukkepentingan manusia. Berikut ini adalah contoh reaksifusi yang terjadi pada bintang, matahari, serta pada atomhidrogen.H21 + H21→H31 + H11 + 4 MeVH21 + H21→He32 + n10 + 3,3 MeVH21 + H21→He42 + n10 + 17,6 MeVSumber: Encyclopedia Britannica,2005○○○○○○○○○○○○○○Uji Kemampuan 11.5○○○○○○○○○○○○○○Ketika sebuah atom dari 235U mengalami fisi di dalam sebuah reaktor, sekitar200 MeV energi dilepaskan. Sebagai contoh, sebuah reaktor yang menggunakanuranium-235 menghasilkan output 700 MWdan efisiensi 20%. Berapa banyakatom uranium yang dikonsumsi dalam satu hari?
269Bab 11 Fisika Inti dan RadioaktivitasContoh SoalReaksi fusi berikut ini berlangsung di Matahari dan menghasilkan sebagian besarenerginya: 14012+14HHe2energie→++.Berapa besar energi yang dilepaskan ketika 1 kg hidrogen dikonsumsi? Massa 1Hadalah 1,007825 u; 4He adalah 4,002604 u; dan e01+ adalah 0,000549 u.Penyelesaian:Diketahui:mH= 1,007825 ume=0,000549 umHe=4,002604 uDitanya:Energi = ...?Jawab:Q = {(4mH) – (mHe) + 2me)} × 931 MeV/sma= {(4 × 1,007825) – (4,002604 + (2× 0,000549))} × 931=24,872596 MeV4 atom H = 4 × 1,007825 = 4,0313 smaEnergi =0313,4872596,241 kg H11=-27124, 8725964, 03131, 66 10××=3,72× 1027MeV○○○○○○○○○○○○○○Uji Kemampuan 11.6○○○○○○○○○○○○○○Salah satu reaksi fusi untuk pembangkit daya yang melibatkan 2H dan 3H:H21 + H31→He42 + n102,01410 3,01605 4,00260 1,00867Berapakah energi yang dihasilkan jika 2 kg 2H berfusi dengan 3 kg 3H untukmembentuk 4He?Reaktor NuklirD.Reaktor nuklir merupakan sebuah peralatan sebagaitempat berlangsungnya reaksi berantai fisi nuklir terkendaliuntuk menghasilkan energi nuklir, radioisotop, ataunuklida baru.1. Bahan bakar2. Teras reaktor3.Moderator4. Batang kendali5. Pompa pemindah6. Generator uap7. Shielding (perisai)Gambar 11.10 Skema dasar reaktor.1 2 3765
270Fisika XII untuk SMA/MABerikut ini beberapa komponen dasar reaktor.1. Bahan bakar reaktor nuklir merupakan bahan yangakan menyebabkan suatu reaksi fisi berantaiberlangsung sendiri, sebagai sumber energi nuklir.Isotop fisi adalah uranium-235, uranium-233,plutonium-239. Uranium-235 terdapat di alam(dengan perbandingan 1 : 40 pada uranium alam),dan yang lainnya harus dihasilkan secara buatan.2. Teras reaktor, di dalamnya terdapatelemen bahanbakar yang membungkus bahan bakar.3.Moderator adalah komponen reaktor yang berfungsiuntuk menurunkan energi neutron cepat (+ 2MeV)menjadi komponen reaktor normal (+ 0,02 - 0,04 eV)agar dapat bereaksi dengan bahan bakar nuklir.Selain itu, moderator juga berfungsi sebagaipendingin primer. Persyaratan yang diperlukanuntuk bahan moderator yang baik adalah dapatmenghilangkan sebagian besar energi neutron cepattersebut dalam setiap tumbukan dan memilikikemampuan yang kecil untuk menyerap neutron,serta memiliki kemampuan yang besar untukmenghamburkan neutron.Bahan-bahan yang digunakan sebagai moderator,antara lain:a) air ringan (H2O),c) grafit, danb) air berat (D2O),d) berilium.4. Setiap reaksi fisi menghasilkan neutron baru yanglebih banyak (2 - 3 neutron baru), maka perlu diaturjumlah neutron yang bereaksi dengan bahan bakar.Komponen reaktor yang berfungsi sebagai pengaturjumlah neutron yang bereaksi dengan bahan bakaradalah batang kendali. Dalam reaktor dikenal faktorpengali (k), yaitu perbandingan jumlah neutron yangdihasilkan setiap siklus dengan jumlah neutron padaawal siklus untuk:k = 1, operasi reaktor dalam keadaan kritis,k > 1, operasi reaktor dalam keadaan super kritis,k < 1, operasi reaktor dalam keadaan subkritis.Bahan yang dipergunakan untuk batang kendalireaktor haruslah memiliki kemampuan tinggimenyerap neutron. Bahan-bahan tersebut antara lainkadmium (Cd), boron (B), atau haefnium (Hf ).5. Perisai (shielding), berfungsi sebagai penahan radiasihasil fisi bahan agar tidak menyebar pada lingkungan.Batangan bahan bakar inidigunakan untuk reaktor nuklirmagnox. Batangan ini terbuatdari uranium alami, dibungkusmagnox (aloi campuranmagnesium).
271Bab 11 Fisika Inti dan RadioaktivitasLord Ernest Rutherford (1871 - 1937)Ahli fisika berkebangsaan Inggris. Ia lahir di Nelson,Selandia Baru. Ia seorang guru besar di Montreal,Manchester, dan Cambridge, merangkap ketuaCavendish Laboratory. Ia melakukan penyelidikanradioaktif, dan menyimpulkan bahwa partikel alfabermuatan positif dan merupakan inti atom helium. Iajuga mengemukakan model atom dan meramalkanadanya neutron (partikel tidak bermuatan). Iamendapatkan hadiah Nobel pada tahun 1908.Fisikawan KitaFiestaFiestaFiestaFiestaFiesta○○○○○○○○○○○○○○○6. Pemindah panas, berfungsi untuk memindahkanpanas dari pendingin primer ke pendingin sekunderdengan pompa pemindah panas.7.Pendingin sekunder, dapat juga berfungsi sebagaigenerator uap (pembangkit uap) yang selanjutnyadapat digunakan untuk menggerakkan generator listrik. ̄Secara umum inti atom dinotasikan: XAZdengan: X = nama atomZ = jumlah proton ̄Hubungan antara massa defek mdengan energi ikat inti Edinyatakan oleh:E = m.c 2Untuk mdalam sma dan Edalam MeV, persamaan di atas menjadi:E = m (931,5 MeV/sma)Pengawetan MakananMakanan, seperti buah-buahan, sayur-sayuran, dandaging dapat diiradiasi dengan sinar gamma. Radiasimemperlambat pemasakan buah-buahan, sayur-sayuran,dan membunuh bakteri-bakteri di dalam daging, sehinggamemungkinkan makanan itu tetap segar untuk jangkawaktu yang lebih lama.Percikan Fisika
272Fisika XII untuk SMA/MAA. Pilihlah jawaban yang paling tepat!1. Partikel penyusun inti atom adalah ... .a.elektron dan protond. proton, neutron, dan elektronb. proton dan neutrone.ion positif dan ion negatifc.neutron dan elektron ̄Energi ikat per nukleon Endinyatakan oleh: En = AE. ̄Te rdapat tiga sinar radioaktif yaitu sinar α, sinar β, dan sinar γ. ̄Deret radioaktif dibedakan menjadi empat, yaitu:a.deret torium,c.deret uranium,b.deret neptunium,d.deret aktinium. ̄Aktivitas radioaktif adalah laju perubahan inti radioaktif tiap satuan waktu yangdirumuskan:A = -dNdt= λNInti radioaktif atau aktivitas radioaktif meluruh secara eksponensial terhadap waktu.N = N0-teγdan A = A0-teλ ̄Waktu paruh (T ) adalah waktu yang diperlukan oleh inti radioaktif untukmeluruh hingga jumlah inti (N ) maupun aktivitasnya (A) tinggal separuh atausetengah dari jumlah inti atau aktivitas mula-mula.T = λ693,0Hubungan antara aktivitas radiasi (atau jumlah inti radioaktif ) dengan selangwaktu (t) serta waktu paruh (T ) , adalah:N = N0Tt⎟⎠⎞⎜⎝⎛21atauA = A0Tt⎟⎠⎞⎜⎝⎛21 ̄Dosis serap suatu materi dirumuskan: D = mE. ̄Reaksi inti di mana inti induk Aditembaki oleh partikel a menghasilkan intianak B dan partikel bditulis: A + a→ B + b – QSesuai kekekalan energi, maka:Q = { (mA + ma) – (mB + mb) }×931,5 MeV ̄Reaksi fisi adalah reaksi pembelahan inti berat menjadi dua inti yang lebih ringandisertai dengan pelepasan energi.Reaksi fusi adalah reaksi penggabungan inti ringan membentuk inti yang lebihberat disertai dengan pembebasan energi.Uji Kompetensi
273Bab 11 Fisika Inti dan Radioaktivitas2. Berikut ini adalah sifat gaya inti, kecuali ... .a.tolak-menolak pada jangkauan pendekb. tarik-menarik pada jarak jauhc.tidak dipengaruhi muatan partikeld. menyebabkan elektron jatuh ke intie.gaya terkuat dari gaya yang ada pada atom3.Deret radioaktif alam yang nomor massanya dapat dinyatakan dalam bentuk4n+1 adalah ... .a.deret toriumd.deret aktiniumb.deret neptuniume.deret plutoniumc.deret uranium4. Apabila massa 73Li, 11H, 42He berturut-turut adalah 7,016 sma; 1,008 sma;4,003 sma; serta 1 sma = 931,5 MeV. Maka energi yang timbul pada reaksitersebut dalam satuan MeV adalah ... .a.16,77d.-17,34b.23,24e.-23,14c.34,125. Reaksi inti berlangsung seperti persamaan berikut:α + Be92→C126 + XX pada persamaan di atas adalah ... .a.H11d.0-1eb.H21e.n10c.e016. Urutan berdasarkan penurunan daya tembus pada sinar-sinar radioaktifadalah ... .a.alfa, beta, gammab. gamma, alfa, betac.beta, alfa, gammad. alfa, gamma, betae.gamma, beta, alfa7. Suatu zat radioaktif meluruh dengan waktu paruh 20 hari. Agar zat radioaktifhanya tinggal 81 bagian saja dari jumlah asalnya, maka diperlukan waktupeluruhan ... .a.27,5 harib. 30 haric.40 harid. 48 harie.96 hari
274Fisika XII untuk SMA/MA8. Suatu bahan radioaktif memiliki konstanta peluruhan 1,386/hari. Bila aktivitasawalnya 400 Ci, maka aktivitasnya setelah dua hari adalah ... .a.25 mCid. 100 mCib. 50 mCie.200 mCic.75 mCi9. Reaksi berantai adalah ... .a.penggabungan proton dan neutron untuk membentuk inti atomb. bergabungnya inti ringan untuk membentuk inti beratc.pembelahan inti berat menjadi dua inti lebih ringand. pembelahan inti berat terus-menerus yang dipengaruhi oleh neutron-neutron yang dipancarkan oleh pembelahan inti berat lainnyae.pembakaran uranium dalam suatu tungku khusus yang disebut reaktor atom10. Proses ketika sebuah inti berat terpecahkan menjadi dua inti yang lebih ringandisertai pelepasan energi disebut ... .a.fisid. transmutasib. fusie.peluruhanc.reaksi berantaiB. Jawablah dengan singkat dan benar!1. Hitunglah energi ikat per nukleon dari inti (Ne-20) jika mp +1,007 sma;mn +1,008 sma; mn = 20,000 sma; dan 1 sma = 931,5 MeV!2. Sampel radioaktif memiliki waktu paruh 69,3 hari. Jika jumlah inti sampelpada saat itu 6,5 × 1012 inti, hitunglah:a.tetapan peluruhan dari sampel tersebut,b.aktivitas sampel radioaktif saat itu!3.Melalui radioaktivitas alami 238U, memancarkan sebuah partikel α. Inti atomresidu yang berat disebut UX1. UX1 selanjutnya memancarkan partikel beta.Inti atom hasilnya disebut UX2. Tentukan nomor atom dan nomor massauntuk:a.UX1 danb. UX2!4. Sebuah neutron cepat dalam sebuah reaktor memiliki energi 2MeV. Agarneutron tersebut dapat bereaksi dengan bahan bakar U-235 dibutuhkan energikira-kira 0,04 eV. Untuk itu, penurunan energinya bertumbukan dengan atommoderator. Jika tiap kali tumbukan energi berkurang setengahnya, makatentukan jumlah tumbukan yang terjadi!5. Bahan penyerap foton sinar α yang melaluinya sebesar 50%, energi tiap fotonsinar γ adalah 2MeV. Tebal bahan 2 cm dan luas daerah 1 mm2, serta massajenis bahan 800 kg/m3. Jika dosis serap 50 MRd, hitunglah foton sinar γtersebut!
Uji Kompetensi Semester 2275A. Pilihlah jawaban yang paling tepat!1. Gelombang tidakdapat merambat di dalam medium ... .a.udarad. gas nitrogenb. aire.ruang hampac.gas oksigen2. Berikut ini bentuk gelombang transversal sebagai fungsi dari kedudukan x.Dua titik yang fasenya sama adalah ... .a.A dan Cd.Edan Hb. B dan De.G dan Hc.Edan F3. Gelombang longitudinal tidak menunjukkan adanya peristiwa ... .a.pembiasand.dispersib. pemantulane.polarisasic.difraksi4. Suatu gelombang bunyi menjalar di udara dengan laju 340 m/s menyebabkanpartikel-partikel di udara turut bergetar. Pada suatu posisi tertentu simpanganpartikel udara pada saat tdinyatakan dengan:y = 2× 10-6 sin (100πt + φ) cm.(1) amplitudo getaran adalah 2× 10-6 cm,(2) frekuensi gelombang bunyi adalah 500 Hz,(3) panjang gelombang adalah 68 cm,(4) beda fase antara dua partikel udara yang jaraknya 34 cm adalah φ.Pernyataan yang benar adalah ... .a.(1), (2), dan (3)d. (4)b. (1) dan (3)e.(1), (2), (3), dan (4)c.(2) dan (4)5.Laju gelombang transversal pada seutas tali yang panjangnya 25 m adalah 50 m/s.Apabila tegangan tali 200 N, maka massa tali itu adalah ... .a.0,08 kgb. 0,5 kgc.0,8 kgd.2,0 kge.12,5 kgADBCEFGHUji KUji KUji KUji KUji Kompetensi Semester 2ompetensi Semester 2ompetensi Semester 2ompetensi Semester 2ompetensi Semester 2
276Fisika XII untuk SMA/MA6. Suatu celah ganda berjarak celah 5 mm. Di belakang celah dengan jarak 2 mditempatkan layar. Celah disinari dengan dua sinar monokromatik denganpanjang gelombang 600 nm dan 475 nm. Jarak pola difraksi orde keempatkedua sinar tersebut di layar adalah ... .a.0,01 nmd.0,25 nmb. 0,15 nme.0,30 nmc.0,20 nm7. Kelajuan gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa adalah ... .a.tergantung pada frekuensinyab. tergantung pada panjang gelombangnyac.tergantung pada medan listriknyad. tergantung pada medan listrik dan medan magnetnyae.merupakan suatu tetapan umum8. Jika sudut kritis permata di udara adalah 34,4o, maka sudut polarisasi permataadalah ... .a.20,5od. 80,5ob. 40,4oe.100,5oc.60,5o9. Cahaya monokromatik dengan panjang gelombang 660 nm datang tegak lurusmengenai sebuah kisi difraksi dan menghasilkan pola interferensi pada layardi belakangnya. Jika jarak antara pola tersebut adalah 6 mm, maka perludigunakan cahaya monokromatik lain dengan panjang gelombang ... .a.110 nmd. 1.000 nmb. 500 nme.1.100 nmc.550 nm10.Warna bunyi yang dihasilkan oleh sumber ditentukan oleh ... .a.tinggi nadad. frekuensib. bentuk gelombange.nada-nada harmonikc.amplitudo11. Gelombang bunyi dengan frekuensi 256 Hz merambat di udara dengankecepatan 330 m/s. Kecepatan rambat gelombang bunyi dengan frekuensi512 Hzdi udara adalah ... .a.82,5 m/sd. 660 m/sb. 165 m/se.1.320 m/sc.300 m/s12.Pada percobaan Melde digunakan seutas benang yang panjangnya 2 m danmassanya 10 gram. Jika beban yang digunakan pada percobaan itu 200 gram(g = 10 m/s2), kecepatan gelombang transversal pada benang adalah ... .a.5 m/sd.20 m/sb. 10 m/se.24 m/sc.15 m/s
Uji Kompetensi Semester 227713. Jika sebuah pipa organa terbuka ditiup hingga timbul nada atas kedua, makaterjadilah ... .a.3 perut dan 3 simpuld. 4 perut dan 4 simpulb. 3 perut dan 4 simpule.4 perut dan 5 simpulc.4 perut dan 3 simpul14. Bila dua buah sumber bunyi masing-masing dengan frekuensi 2.000 Hzdan2.008 Hz berbunyi dengan serentak, maka timbul pelayangan bunyi denganfrekuensi ... .a.2 Hzd.2.004 Hzb. 4 Hze.2.008 Hzc.8 Hz15. Suatu sumber bunyi bergerak dengan kecepatan 10 m/s menjauhi seorang pendengaryang tidak bergerak. Jika frekuensi bunyi 400 Hzdan kecepatan perambatannya390 m/s, maka frekuensi gelombang bunyi yang terdengar adalah ... .a.380 Hzd. 410 Hzb. 390 Hze.420 Hzc.400 Hz16. Taraf intensitas bunyi (TI ) pada suatu jendela terbuka yang luasnya 1 m2adalah 60 dB. Jika harga ambang bunyi 10-16watt/ cm2, maka daya akustikyang masuk melalui jendela tersebut adalah ... .a.10-16wattd.10-6wattb. 10-12watte.10-4wattc.10-10watt17. Untuk memindahkan muatan positif yang besarnya 10 coulomb dari suatutitik yang potensialnya 10 volt ke suatu titik lain dengan potensial 60 voltdiperlukan usaha sebesar ... .a.5 volt/coulombd. 500 jouleb. 100 joulee.500 volt.amperec.600 joule18.Dua buah kutub magnet berada pada jarak 4 cm satu dengan lainnya. Keduakutub itu kemudian saling dijauhkan hingga gaya tolak-menolaknya menjadiseperempat kalinya. Maka jarak antara kedua kutub itu sekarang adalah ... .a.8 cmb. 16 cmc.32 cmd. 64 cme.80 cm19. Banyaknya garis gaya per satuan luas tegak lurus pada medan listrikmenggambarkan besarnya ... .a.muatan listrikd. kuat medan listrikb. rapat muatan listrike.medan listrikc.potensial listrik
278Fisika XII untuk SMA/MA20. Pada keempat sudut bujur sangkar (sisi 30 cm) terdapat muatan listrik.Potensial listrik di pusat bujur sangkar jika dua muatan yang bertetanggamasing-masing +2Cμdan yang lain -2Cμadalah ... .a.3,4×105voltd. -1,7×105b. -3,4×105volte.0c.1,7×10521. Bola A dan B masing-masing bermuatan 10 C dan 30 C. Jarak kedua pusatbola 3 meter. Bila kedua bola terletak di udara, maka:(1)energi potensial bola B = 9×1011 joule,(2)energi potensial bola A = 9×1011 joule,(3)energi potensial bola A = energi potensial B,(4)3A potensial energiB potensial energi=.Pernyataan yang benar adalah ... .a.(1),(2), dan (3)d. (4)b. (1) dan (3)e.(1), (2), (3), dan (4)c.(2) dan (4)22.Ada empat buah benda titik yang bermuatan yaitu A, B, C, dan D. Jika A menarikB, A menolak C, dan C menarik D, sedangkan D bermuatan negatif, maka ...a.muatan B positif, muatan C negatifb. muatan B positif, muatan C positifc.muatan B negatif, muatan C positifd. muatan B negatif, muatan C negatife.muatan A positif, muatan C negatif23.Dua keping logam yang sejajar dan jarak 0,5 cm satu dari yang lain diberimuatan listrik yang berlawanan hingga beda potensial 10.000 volt. Bilamuatan elektron adalah 1,6 × 10-19 C, maka besar dan arah gaya Coulombpada sebuah elektron yang ada di antara kedua keping adalah ... .a.0,8 ×10-17N ke atasd.3,2×10-13 N ke bawahb. 0,8 ×10-17 N ke bawahe.12,5 ×1024 ke atasc.3,2×10-13 N, ke atas24.Dua partikel masing-masing bermuatan q1dan q2 yang besar dan jenisnyatidak diketahui, terpisah sejauh d. Antara kedua muatan itu dan pada garishubungnya terdapat titik P pada jarak 32ddari q1. Jika kuat medan di titik Psama dengan nol, maka ... .a.q1dan q2 adalah masing-masing muatan yang tidak sejenisb. potensial di titik P yang disebabkan oleh q1dan q2 samac.potensial di titik P sama dengan nold. besar muatan q1 = 2 kali besar muatan q2e.besar muatan q1 = 4 kali besar muatan q2
Uji Kompetensi Semester 227925. Pada titik-titik sudut A, B, C, dan D sebuah bujur sangkar ABCDdenganpanjang a berturut-turut ditempatkan muatan +q, -q, -q, -q.Muatan +qmengalami resultan gaya dari muatan lain sebesar ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛πε224aqx. Maka besar xadalah ... .a.2d.2121+b.22+e.21c.221+26. Sebuah kapasitor terbentuk dari dua lempeng aluminium yang luaspermukaannya masing-masing 1 m2, dipisahkan oleh selembar kertas parafinyang tebalnya 0,1 mm dan konstanta dielektriknya 2. Jika 0ε= 9×10-12,maka kapasitas kapasitor ini ... .a.0,35 Fμd. 0,10 Fμb. 0,25 Fμe.0,05 Fμc.0,18 Fμ27. Sebuah kapasitor diberi muatan 10 nC dan mempunyai beda potensial 100 Vantara pelat-pelatnya. Kapasitansi dan tenaga yang tersimpan di dalamnya ...a.100 pFdan 5×10-5 Jd.1 nFdan 5×10-7 Jb. 100 pFdan 5×10-7 Je.100 nFdan 2×10-7 Jc.10 nFdan 6×10-7 J28. Sebuah kapasitor mempunyai kapasitas sebesar 5 mikrofarad. Bila udara diantara keping-kepingnya ditempatkan lembaran porselen, maka tetapandielektrik porselen sama dengan ... .a.0,17d.35b. 6e.150c.2529. Tiga buah kapasitor masing-masing berkapasitas C. Dengan menghubungkansecara seri dan atau paralel, maka harga-harga kapasitas ganti yang mungkinadalah:(1) 3C(3)3C(2)32C(4)23CPernyataan yang benar adalah ... .a.(1), (2), dan (3)d. (4)b. (1) dan (3)e.(1), (2), (3), dan (4)c.(2) dan (4)
280Fisika XII untuk SMA/MA30. Tiga buah kapasitor yang masing-masing kapasitasnya 3 farad, 6 farad, dan9 faraddihubungkan secara seri. Kedua ujung dari gabungan tersebutdihubungkan dengan sumber tegangan yang besarnya 220 volt. Teganganantara ujung-ujung kapasitor 3 farad adalah ... .a.40 voltd.120 voltb. 60 volte.220 voltc.110 volt31.Medan magnet dapat ditimbulkan oleh:(1) muatan listrik yang bergerak,(2) konduktor yang dialiri arus searah,(3) konduktor yang dialiri arus bolak-balik,(4) muatan listrik yang tidak bergerak.Pernyataan yang benar adalah ... .a.(1), (2), dan (3)d. (4)b. (1) dan (3)e.(1), (2), (3), dan (4)c.(2) dan (4)32.Pada dua kawat sejajar yang masing-masing dialiri arus listrik yang sama besar,timbul gaya yang besarnya 2×10-7 N. Jarak antara kedua kawat itu 1 meter.Besar arus dalam setiap kawat adalah ... .a.81 ampered. 1 ampereb.41 amperee.2 amperec.21 ampere33. Suatu muatan listrik sebesar 0,20 C, bergerak dengan kecepatan 2 m/s dalamsuatu medan magnet yang besarnya 5 weber/m2. Jika arah kecepatan muatanitu sejajar dengan arah medan magnet, maka gaya yang dialami muatan itusebesar ... .a.0d.2 newtonb. 0,08 newtone.50 newtonc.0,5 newton34. Sebuah solenoida yang cukup panjang (panjangnya l ) terdiri atas N lilitan.Solenoida itu dialiri arus listrik I, sehingga membangkitkan induksi magnetikbdi suatu titik di tengah solenoida. B ini dapat dinyatakan dengan ... .a.INl20μd.lNI0μb.e.IlN0μc.lNI20μINl0μ
Uji Kompetensi Semester 228135. Sebuah kawat yang berbentuk lingkaran dengan jari-jari l dialiri arus listrik I.Besar kuat medan magnet pada pusat lingkaran itu ... .a.tidak tergantung pada Ib. sebanding dengan I 2c.berbanding terbalik dengan Id. berbanding lurus dengan Ie.berbanding terbalik dengan I 236. Suatu solenoida panjang 2 meter dengan 800 lilitan dan jari-jari 2 cm. Bilasolenoida itu dialiri arus sebesar 0,5 A, maka induksi magnet pada ujungsolenoida jika -71020×π=μWb/A.m adalah ... .a.-52410 Wb/mπ×d.-62410 Wb/mπ×b.-7210 Wb/mπ×e.-42210 Wb/mπ×c.-82410 Wb/mπ×37. Jika sebuah kawat digerakkan sedemikian hingga memotong garis-garis gayasuatu medan magnet, maka pada kedua ujung kawat itu timbul gaya geraklistrik karena induksi. Kaidah ini dirumuskan oleh ... .a.Maxwelld. Ampereb.Lenze.Faradayc.Foucault38. Suatu kumparan terdiri atas 200 lilitan berbentuk persegi panjang denganpanjang 10 cm dan lebar 5 cm. Kumparan magnet sebesar 0,5 weber/m2dandiputar dengan kecepatan sudut 60 rad/s, maka pada ujung kumparan akantimbul ggl bolak-balik maksimum sebesar ... .a.5 voltd. 110 voltb. 30 volte.20 voltc.60 volt39. Sebuah resistor Rdan sebuah kumparan Ldihubungkan seri pada teganganbolak-balik 110 volt. Tegangan antara kedua ujung kumparan dan resistorsama besar. Tegangan rangkaian tersebut adalah ... .a.225Vd.260Vb. 50 Ve.75 Vc.250V40. Hambatan 1.000 ohm, kumparan 0,5 henry, kapasitas 0,2 mikrofaraddirangkaiseri dan dihubungkan dengan sumber tegangan arus bolak-balik yang frekuensiangulernya 5.000 rad.s-1. Harga impedansi rangkaian tersebut mendekati ... .a. 100 ohmd. 1.600 ohmb. 500 ohme.2.600 ohmc. 1.800 ohm
282Fisika XII untuk SMA/MA41. Sebuah partikel yang mempunyai massa m bergerak dengan kecepatan v. Jikatetapan Planck h, maka panjang gelombang partikel tersebut ... .a.hvmd.mhvb.mhve.mvhc.vhm42. Berkas elektron berkecepatan 1,1×106 m/s. Jika massa elektron dan konstantaPlanck masing-masing 9 ×10-31 kg dan 6,6 ×10-34 Js, maka panjanggelombang berkas elektron tersebut adalah ... .a.8,2×10-10 md.5,2×10-10 mb. 4,8 ×10-10 me.6,6 ×10-10 mc.5,0 ×10-10 m43. Jika konstanta Planck 6,6 × 10-34 Js, dan cepat rambat cahaya 3 × 108 m/s, makasinar Na yang panjang gelombangnya 590 nm mempunyai energi sebesar ... .a.590 Jd. 3,36 ×10-19 Jb. 3 ×10-9 Je.6,63 ×10-34 Jc.590 ×10-9 J44. Sebuah benda hitam mempunyai suhu 2.000 K. Jika konstanta HukumPergeseran Wien B = 2,898 ×10-3 K, maka rapat energi maksimum yangdipancarkan benda itu terletak pada panjang gelombang sebesar ... .a.1,4 mμd.7,3 mμb.2,9 mμe.12,4 mμc.5,8 mμ45. Sebuah keping logam yang mempunyai energi ambang 2 elektron.volt disinaridengan cahaya monokromatik panjang gelombang 6.000 D hingga elektronmeninggalkan permukaan logam. Jika h = 6,6×10-34 joule.sekon dan kecepatancahaya 3×108 m/s, maka energi kinetik elektron yang lepas adalah ... .a.0,1×10-19 jouled.3,2×10-19 jouleb. 0,16×10-19 joulee.19,8×10-19 joulec.1,6×10-19 joule46. Besarnya energi ionisasi elektron ion Li2+ pada keadaan dasar adalah ... .a.1,51 eVd. 54,5 eVb. 13,6 eVe.122,4 eVc.40,8 eV47. Jika atom H pada keadaan dasar menyerap foton yang berenergi 12,09 eV,elektronnya tereksitasi. Maka besar momentum sudut yang terbesar yangmungkin sebelum elektron tersebut kembali ke keadaan dasar adalah ... .a.0d.3h2 Jsb.2hJse.52h Jsc.6h Js
Uji Kompetensi Semester 228348. Peristiwa terpecahnya satu garis spektrum menjadi beberapa garis spektrumketika atom berada di dalam medan magnet adalah ... .a.efek Zeemend. efek Stern-Gerlachb. efek Comptone.efek Augerc.efek fotolistrik49. Jika sebuah elektron dipercepat oleh beda potensial V, menumbuk sebuahatom He pada keadaan dasar sehingga salah satu elektronnya terionisasi, makabeda potensial V tersebut adalah ... .a.-13,6 Vd. 54,4 Vb. 13,6 Ve.122,4 Vc.-54,4 V50. Arti dari notasi 3p5 adalah:(1) bilangan kuatum utama n = 3,(2) bilangan kuantum orbital l = 3,(3) jumlah elektron pada n = 1 adalah 2,(4) energi yang dimiliki oleh elektron pada 1s adalah -13,6 eV.Pernyataan yang benar adalah ... .a.(1),(2), dan (3)d. (4)b. (1) dan (3)e.(1), (2), (3),