Sifat-Sifat Inti Atom [PDF]

Citation preview

SIFAT – SIFAT INTI ATOM



D I S U S U N OLEH: KELOMPOK 2 AGNES MANURUNG DONY KURNIAWAN SIALLAGAN EBEN H.A. TOGATOROP HERTA A SINURAT SITI HARTINAH LUBIS



JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MEDAN 2018



BAB I PENDAHULUAN Atom adalah satuan unit terkecil dari sebuah unsur yang memiliki sifat-sifat dasar tertentu. Setiap atom terdiri dari sebuah inti kecil yang terdiri dari proton dan neutron dan sejumlah elektron pada jarak yang jauh. Pada tahun 1913 Neils Bohr pertama kali mengajukan teori kuantum untuk atom hydrogen. Model ini merupakan transisi antara model mekanika klasik dan mekanika gelombang. Karena pada prinsip fisika klasik tidak sesuai dengan kemantapan hidrogen atom yang teramati. Pusat



dari atom disebut



inti



atom



atau



nukleus.



Inti



atom



terdiri



dari proton dan neutron. Banyaknya proton dalam inti atom disebut nomor atom, dan menentukan elemen dari suatu atom. Ukuran inti atom jauh lebih kecil dari ukuran atom itu sendiri, dan hampir sebagian besar tersusun dari proton dan neutron, hampir sama sekali tidak ada sumbangan dari elektron. Jumlah netron dalam inti atom menentukan isotop elemen tersebut. Jumlah proton dan netron dalam inti atom saling berhubungan; biasanya dalam jumlah yang sama, dalam nukleus besar ada beberapa netron lebih. Kedua jumlah tersebut menentukan jenis nukleus. Proton dan netron memiliki masa yang hampir sama, dan jumlah dari kedua masa tersebut disebut nomor massa, dan beratnya hampir sama dengan massa atom (tiap isotop memiliki masa yang unik). Masa dari elektron sangat kecil dan tidak menyumbang banyak kepada masa atom (Wikipedia.2017) Model atom Bohr memperbaiki kelemahan model atom Rutherford. Untuk menutupi kelemahan model atom Rutherford, Bohr mengeluarkan empat postulat. Gagasan Bohr menyatakan bahwa elektron harus mengorbit di sekeliling inti.



Namun demikian pada



makalah ini kita tidak lagi akan membahas mengenai model atom melainkan sifat-sifat daripada inti atom itu sendiri.



BAB II SIFAT-SIFAT INTI ATOM A. Sifat inti yang tidak bergantung/gayut pada waktu. 1. Massa Inti Salah satu hipotesis dalton (1803) ialah bahwa atom-atom suatu unsur adalah identik. Prout (1819) menyarankan bahwa semua unsur terbuat dari hidrogen, sehingga unsur terbuat dari hidrogen, sehingga massanya dapat dituliskan sebagai: M ~ C MH Keterangan MH = massa hidrogen C



= bilangan bulat



Dari penyelidikan yang teliti, ternyata C bukanlah bilangan bulat, sehingga hipotesis Prout dianggap tidak benar. Crookes(1886) menyarankan kembali ide Prout. Alasan bahwa C bukan bilangan bulat adalah karena suatu unsur mungkin terdiri adalah karena suatu unsur mungkin terdiri dari beberapa campuran (isotop). Contoh: Cl mempunyai berat atom 35,46 karena terdiri dari 3 isotop, masing-masing 34,35, dan 36 Karena kemudian inti diketahui terdiri dari proton dan neutron, maka dapat dituliskan: M = Z(MH) + N (MN) Z dan N adalah jumlah proton dan neutron di dalam inti, MN= massa neutron Kelimpahan massa di alam telah tersusun dalam tabel periodik unsur. 2. Jari-jari Inti Sampai sekarang, belum ditemukan cara langsung untuk menentukan jari-jari inti. Pada umumnya ada dua cara yang digunakan untuk menentukan jari-jari inti yang hasilnya menentukan jari-jari inti yang hasilnya berbeda, karena definisi jari-jari inti dalam kedua cara tersebut berbeda. Jika dianggap bulat, maka jari-jarinya: R = r0A1/3 Ada dua cara untuk menentukan r0: Cara nuklir Dengan cara ini diukur jari-jari gaya inti (nuclear force radius)yang didefinisikan sebagai jarak dari pusat inti ke jarak jangkauan gaya inti.Jangkauan gaya inti lebih panjang sedikit dari ukuran Jangkauan gaya inti lebih panjang sedikit dari ukuran inti. Cara-cara yang masuk dalam kategori ini : -Hamburan partikel alfa dengan hasil r0= 1,414 F - peluruhan alfa dengan hasil r0= 1,48 F



-hamburan neutron cepat dengan hasil r0= 1,37 F Cara elektromagnetik Jari-jari yang diukur ialah jari-jari muatan inti. Percobaan yang termasuk kategori ini. - Hamburan elektron dengan hasil r0= 1,26 - Mesonik atom dengan hasil r0= 1,2 - Inti cermin (H, He) dengan hasil r0= (1,28 +0,05) - Inti cermin (1H3,3He3) dengan hasil r0= (1,28 +0,05)F - hamburan proton dengan hasil r0= (1,25 +0,05)F - pergeseran isotopik dengan hasil r0= (1,20 )F 3. Muatan Inti Model atom Rutherford dapat menerangkannya melalui spektrum sinar – x yang diukur oleh Moseley (1913) dari data Moseley tersebut ternyata muatan dari data Moseley tersebut ternyata muatan inti adalah Ze dan Z yang merupakan nomor atom, sedang e =muatan elektron = 4,80298 x 10-10 esu = 1,602189 x 10-19C. 4. Momentum Sudut Momentum sudut suatu unti atom dapat ditunjukkan dari hyperfine-structure splitting garis-garis spektrum suatu atom. Pauli menerangkan hyperfine-structure splitting ini dengan anggapan bahwa inti mempunyai ini dengan anggapan bahwa inti mempunyai momentum sudut, sehingga terjadi gandengan antara momentum sudut inti dengan momentum sudut total dari elektron. Sebagaimana yang telah kita ketahui, inti terdiri dari A nukleon, yang masingmasing mempunyai momentum sudut orbital dan spin: Jadi total vektor momentum sudut, apabila dipakai gandengan L S, ialah: I =J= ∑lk+ ∑sk................. (1) k=1 k=1 Panjang vektor momentum sudut inti: |I| =√I (I+1)h/2π I ialah bilangan kuantum momentum sudut total inti,atau biasa disebut spin inti. biasa disebut spin inti. Dari (1): I = (l+s), (l+s-1),... |l-s| Maka jumlah harga I yang mungkin: (2s+1) untuk s < l



(2l+1) untuk l< s 5. Momen Magnetik Medan magnet yang dihasilkan oleh suatu atom (disebut momen magnetik) ditentukan oleh kombinasi berbagai macam momentum sudut ini. Namun, kontribusi yang terbesar tetap berasal dari spin. Oleh karena elektron mematuhi asas pengecualian Pauli, yakni tiada dua elektron yang dapat ditemukan pada keadaan kuantum yang sama, pasangan elektron yang terikat satu sama lainnya memiliki spin yang berlawanan, dengan satu berspin naik, dan yang satunya lagi berspin turun. Kedua spin yang berlawanan ini akan saling menetralkan, sehingga momen dipol magnetik totalnya menjadi nol pada beberapa atom berjumlah elektron genap. Pada atom berelektron ganjil seperti besi, adanya keberadaan elektron yang tak berpasangan menyebabkan atom tersebut bersifat feromagnetik. Orbital-orbital atom di sekeliling atom tersebut saling bertumpang tindih dan penurunan keadaan energi dicapai ketika spin elektron yang tak berpasangan tersusun saling berjajar. Proses ini disebut sebagai interaksi pertukaran. Ketika momen magnetik atom feromagnetik tersusun berjajaran, bahan yang tersusun oleh atom ini dapat menghasilkan medan makroskopis yang dapat dideteksi. Bahan-bahan yang bersifat paramagnetik memiliki atom dengan momen magnetik yang tersusun acak, sehingga tiada medan magnet yang dihasilkan. Namun, momen magnetik tiaptiap atom individu tersebut akan tersusun berjajar ketika diberikan medan magnet. Inti atom juga dapat memiliki spin. Biasanya spin inti tersusun secara acak oleh karena kesetimbangan termal. Namun, untuk unsur-unsur tertentu (seperti xenon-129), adalah mungkin untuk memolarisasi keadaan spin nuklir secara signifikan sehingga spin-spin tersebut tersusun berjajar dengan arah yang sama. Kondisi ini disebut sebagai hiperpolarisasi. Fenomena ini memiliki aplikasi yang penting dalam pencitraan resonansi magnetik. 6. Momen Listrik Sebuah distribusi umum muatan listrik dapat dicirikan oleh muatan bersih, dengan momen dipol nya, saat quadrupole dan momen orde tinggi. Sebuah kuadrapol dasar dapat direpresentasikan sebagai dua dipol antiparalel berorientasi Salah satu penggunaan yang paling umum dari kuadrupol listrik dalam karakterisasi inti. Inti memiliki muatan, tapi tidak momen dipol karena semua positif. Tetapi jika inti tidak bola simetris, itu akan memiliki momen quadrupole. Quadrupole dan ketertiban multipol tinggi tidak penting untuk karakteristik bahan dielektrik. Bidang Dipole jauh lebih kecil dari bidang biaya terisolasi, tetapi dalam dielektrik mana tidak ada biaya gratis, efek dipol yang dominan. Tidak ada keadaan seperti mendukung efek quadrupole, karena mereka harus timbul dari jumlah molekul yang sama sebagai efek dipol. Scott mengatakan bahwa efek quadrupole makroskopik lebih kecil dari efek dipol sekitar rasio dimensi atom dengan jarak pengamatan eksperimental.



Contoh paling sederhana dari sebuah quadrupole listrik terdiri dari bolak muatan positif dan negatif, diatur di sudut-sudut persegi. Monopole saat ini (hanya total biaya) dari pengaturan ini adalah nol. Demikian pula, momen dipol adalah nol, tanpa melihat asal koordinat yang telah dipilih. Tapi saat quadrupole penataan dalam diagram tidak dapat dikurangi menjadi nol, terlepas dari mana kita menempatkan asal koordinat. B. Sifat inti atom yang bergantung pada waktu 1. Peluruhan Radioaktif Inti atom yang tidak stabil dikatakan mengalami peluruhan, yang berarti bahwa mereka kehilangan sebagian dari massa atau energi untuk mencapai keadaan lebih stabil, energi yang lebih rendah. Proses ini paling sering terlihat pada unsur yang lebih berat, seperti uranium. Tak satu pun dari unsur-unsur yang lebih berat mempunyai isotop stabil, tetapi unsur yang lebih ringan juga bisa eksis dalam tidak stabil atau bentuk radioaktif, seperti karbon-14. Diperkirakan bahwa panas dari peluruhan unsur-unsur radioaktif mempertahankan suhu yang sangat tinggi dari inti bumi, menjaganya agar tetap dalam keadaan cair, yang sangat penting untuk pemeliharaan medan magnet yang melindungi planet ini dari kerusakan radiasi. Peluruhan radioaktif adalah proses acak, yang berarti bahwa secara fisik tidak mungkin untuk memprediksi apakah atau tidak inti atom tertentu akan meluruh dan memancarkan radiasi pada saat tertentu. Sebaliknya, hal ini diukur dengan paruh, yang merupakan periode waktu yang diperlukan untuk setengah dari sampel yang diberikan inti meluruh. Waktu Paruh berlaku untuk sampel dari berbagai ukuran, dari jumlah mikroskopis sampai semua atom dari jenis di alam semesta. Isotop radioaktif yang berbeda bervariasi dalam waktu paruh mereka, yang berkisar dari beberapa detik, dalam kasus astatine-218, miliaran tahun untuk uranium-238 2. Reaksi Inti Reaksi inti merupakan peristiwa perubahan suatu inti atom sehingga berubah menjadi inti atom lain dengan disertai munculnya energi yang sangat besar. Agar terjadi reaksi inti diperlukan partikel lain untuk menggoyahkan kesetimbangan inti atom sehingga kesetimbangan inti terganggu. Akibatnya inti akan terpecah menjadi dua inti yang baru. Partikel yang digunakan untuk mengganggu kesetimbangan inti yaitu partikel proton atau neutron. Di mana partikel proton atau neutronyang berenergi ditembakkan pada inti target sehingga setelah reaksi terjadi akan terbentuk inti atom yang baru disertai terbentuknya partikel yang baru. Inti target dapat merupakan inti atom yang stabil, sehingga setelah terjadi reaksi menyebabkan inti atom menjadi inti yang tidak stabil yang kemudian disebut isotop radioaktif. Jadi reaksi inti dapat juga bertujuan untuk mendapatkan isotop radioaktif yang berasal dari inti stabil.



Reaksi inti sangat berbeda dengan reaksi kimia, karena pada dasarnya reaksi inti ini terjadi karena tumbukan (penembakan) inti sasaran (target) dengan suatu proyektil (peluru).



Menurut Muslim (1997), sifat-sifat inti atom antara lain: a. Massa dan Energi Massa inti atom sangat kecil jika dinyatakan dengan satuan massa biasa, yaitu kurang dan 10.21 gram. Oleh karena itu harus dinyatakan dengan satuan yang berbeda. Satuan yang diakui secara universal adalah didasarkan pada massa atom



12



C yang berada dalam keadaan



netral dan tingkat energi dasar. Satuan yang dimaksud adalah sma (satuan massa atom) atau amu (atomic mass unit). 1 sma = ½ massa atom 12C 1 kg atom (kg mol) 12C = 12 kg, sehingga 1 gram atom (1 gram mol) 12C = 1 mol = 12.10-3 kg 1 gram atom 12C = 6.022. 1023 atom / molekul Dari kesetaraan massa dan energi (E = mc2), maka 1 sma setara dengan energi sebesar 1,492232.10.-10 joule. Dalam sistem atom, energi pada umumnya dinyatakan dalam satuan elektron volt (eV). Satu elektron volt didefinisikan sebagai energi yang diperoleh satu elektron yang bermuatan 1,6.10-19 coulomb setelah menempuh beda potensial sebesar 1 volt, atau 1 eV



= 1,6021.10-19 joule



1 sma = 1,66043. 10-27 kg = 1,492232. 10-10 joule = 9,3148.108 eV = 931, 48 MeV



Massa dari berbagai elemen atom diketahui lebih besar dan berat atom. Sebagai contoh isotop oksigen 16O terdapat 8 proton, 8 neutron dan 8 elektron; jumlah massanya sama dengan 16,132 amu, sedangkan berat atomnya sebesar 15,99491 amu. Isotop oksigen 16O lebih ringan 0,13709 amu dan elemen penyusun. Perbedaan antara total massa proton, neutron dan elektron secara individu dengan massa atom disebut mass defect. Persamaan untuk mass defect adalah mass defect = Z.mh + (A-Z). mn – M dimana, Z



: nomor atom



M



: massa atom hidrogen



M : massa neutron A-Z : nomor neutron M : berat atom Jika berat atom pada persamaan di atas diganti dengan massa inti, maka massa atom hidrogen harus diganti massa proton. b. Energi Ikat Energi ikat inti adalah energi yang dilepaskan jika penyusun inti bergabung membentuk inti. Energi dengan jumlah yang sama akan diperlukan untuk memecah inti atom menjadi elemen penyusun, karena itu energi yang ekivalen dengan mass defect digunakan sebagai ukuran dan energi ikat inti. Apabila mh, mn dan M dinyatakan dalam satuan massa atom (amu), maka energi ikat inti dinyatakan dalam satuan MeV, dengan persamaan berikut: Suatu atom yang massanya M(A,Z) dengan Z adalah jumlah proton dan N adalah jumlah neutron dalam keadaan bebas memiliki energi diam (rest energy) sebesar, RE = Z.mp.c2 + N.mn.c2 + Z.me.c2 Energi ikat nucleon A = Z + N dalam inti tersebut adalah B(A,Z) = Z.mH.C2 + N.MN.C2 – M (A,Z).C2 Energi ikat rata – rata per nucleon adalah



Mass defect untuk isotop 160 adalah 0,13709 sma, dengan demikian energi ikatnya adalah 931,4 x 0,13709 MeV = 127,68 MeV Karena ada 16 nukleon di dalam inti



16



O, maka energi ikat rata-rata dan



16



O adalah



127,68/16 atau 7,06 MeV/nukleon. Untuk inti-inti ringan energi ikat per nukleon relatif kecil, sekitar 7,4 sampai dengan 8,7 MeV/nukleon dan akan bertambah (naik) dengan bertambahnya nomor massa, akan mencapai nilai maksimum mendekati 8,8 MeV (nukleon dalam rentang nomor massa 40 sampai dengan 120. Untuk nomor massa yang lebih besar, energi ikat per nukleon akan berkurang sampai dengan 7,6 MeV/nukleon (untuk uranium). c. Radius (Ukuran dan Bentuk) Semua eksperimen yang dilakukan untuk menentukan radius inti menunjukkan bahwa perkiraan



secara



kasar



untuk



radius



inti



adalah



dimana, r



: konstanta yang tidak tergantung pada A (sekitar1, 1 sampai dengan 1,6 fm)



A



: nomor massa



Dengan demikian volume inti sebanding dengan massa inti, sehingga semua inti memiliki densitas yang hampir sama. Bentuk inti atom tidak selalu bulat (sferis) tetapi dapat berbentuk oblate (IA=IB < IC) atau prolate (IA