BUKU AJAR MATA KULIAH:

FISIKA NUKLIR

Choirul Anam Disusun oleh:

Much. Azam K. Sofjan Firdausi

JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS DIPONEGORO 2007

ii

Dan kami ciptakan logam (al hadid) yang di dalamnya terdapat energi yang dasyat dan berbagai manfaat bagi

manusia. (QS. Al Hadid 25)

vi

MOTO ii

KATA PENGANTAR iii

PENDAHULUAN iv

DAFTAR ISI vi

I. STRUKTUR DAN SIFAT INTI

a. Struktur Materi 1

b. Sifat Inti 3

II. ENERGI IKAT DAN GAYA INTI

a. Energi Ikat 14

b. Gaya Inti 16

III. MODEL INTI

a. Model Tetes Cairan 22

b. Model Kulit 24

IV. RADIOAKTIVITAS

a. Kestabilan Inti 29

b. Peluruhan Radioaktif 31

c. Hukum-hukum dalam Peluruhan Radioaktif 35

V. PELURUHAN ALFA

a. Peluruhan Alfa 39

b. Karakteristik Partikel Alfa 41

VI. PELURUHAN BETA

a. Peluruhan Beta 45

b. Karakteristik Partikel Beta 48

VII. PELURUHAN GAMMA

a. Peluruhan Gamma 51

b. Absorbsi Sinar Gamma 52

c. Interaksi Sinar Gamma dan Materi 54

VIII. DETEKSI RADIASI NUKLIR

a. Detektor Isian Gas 57

b. Detektor Sintilasi 61

c. Detektor Kamar Kabut 63

IX. REAKSI NUKLIR

a. Reaksi Nuklir 66

vii

b. Klasifikasi Reaksi Nuklir 67

c. Sistem Kerangka Acuan 69

d. Energi Reaksi Inti 71

X. REAKSI FISI

a. Reaksi Fisi 74

b. Distribusi Energi Fisi 75

c. Reaksi Berantai 77

XI. REAKSI FUSI

a. Reaksi Fusi 81

b. Reaksi Fusi Matahari 82

c. Reaksi Fusi Terkendali 85

XII. REAKTOR NUKLIR

a. Reaktor Nuklir 87

b. Komponen Reaktor Nuklir 88

c. PLTN 90

d. Pengelolaan Limbah Radioaktif 93

DAFTAR PUSTAKA 98

iii

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah, puji syukur kami panjatkan kepada Allah SWT karena atas taufiq dan

hidayah-Nya, Buku Ajar Fisika Nuklir ini telah berhasil diselesaikan.

Buku ajar ini dimaksudkan untuk meningkatkan kualitas pengajaran Mata Kuliah

Fisika Nuklir. Sehingga dengan peningkatan tersebut diharapkan penguasaan dan

pengetahuan mahasiswa menjadi meningkat dan lebih baik. Diharapkan juga mahasiswa

termotivasi agar mengembangkannya ke tingkatan yang lebih tinggi, yaitu dengan

pengembangan teori dan teknologi untuk kesejahteraan masyarakat.

Terima kasih kami ucapkan kepada semua pihak yang telah membantu terwujudnya

buku ajar ini. Selain itu tak lupa juga diucapkan banyak terima kasih pada Dirjen Dikti

yang telah membantu dalam pendanaan melalui hibah penganjaran PHK A2.

Akhirnya, kami berharap saran dan kritik demi peningkatan kualitas buku ajar ini.

Semarang, 2007

Tim Penyusun

1

I. STRUKTUR DAN SIFAT INTI

1.1 STRUKTUR MATERI

1.1.1 Pendahuluan

Filosof Yunani zaman dahulu berspekulasi bahwa bumi tersusun dari beberapa

kombinasi unsur (substansi dasar). Mereka menganggap unsur dasar ini adalah: bumi,

udara, air, dan api. Ilmuan modern menunjukkan bahwa Filosof Yunani benar dalam

menggagas konsep bahwa materi terdiri dari kombinasi unsur-unsur, tapi kurang tepat

dalam mengidentifikasi unsur-unsur penyusunnya.

Konsep dasar lain yang diperdebatkan Filsosof Yunani adalah apakah materi bersifat

kontinyu (bila dipecah tidak ada habisnya) atau diskrit (bila dipecah akan berakhir pada

ukuran tertentu yang tidak dapat dipecah lagi). Democritus (450 SM) megusulkan bahwa

materi tersusun dari partikel sangat kecil, yang karena sedemikian kecilnya sehingga tidak

dapat dibagi-bagi lagi. Namun, konsep tentang atom ini murni hanya pemikiran. Pada saat

itu, tidak mungkin untuk membuktikan atau membantah teori tersebut.

Bukti modern dari sifat dasar atom pertama kali dikemukakan oleh John Dalton pada

tahun 1803. Menurut Dalton, atom merupakan partikel terkecil yang tidak dapat dibagi

lagi. Atom-atom suatu unsur semuanya serupa dan tidak dapat berubah menjadi unsur lain.

Dua atom atau lebih yang berasal dari unsur-unsur berlainan dapat membentuk molekul.

Pada saat itu Dalton berhasil menyuguhkan teori atom yang dapat digunakan untuk

menjelaskan reaksi-reaksi kimia dan dapat dibuktikan di laboratorium.

Sub-pokok Bahasan Meliputi: • Struktur Materi

• Sifat Inti

TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Struktur Materi, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan struktur materi, terutama tentang atom. • Menjelaskan model-model atom, yaitu model: Thomson, Rutherford dan model

Bohr.

2

1.1.2 Model Atom

Selama lebih dari 100 tahun setelah Dalton, ada anggapan yang beredar bahwa tidak

mungkin untuk membagi atom menjadi bagian yang lebih kecil. Keseluruhan hasil dari

penelitian kimia selama waktu itu menunjukkan bahwa atom memang tak dapat dibagi.

Sampai akhirnya J.J Thomson menemukan elektron. Elektron adalah partikel bermuatan

negatif yang mempunyai massa 1/1835 dari massa atom hidrogen.

Dengan ditemukan elektron, maka runtuh pendapat dan aksioma yang menyatakan

bahwa atom adalah materi terkecil yang tidak dapat berubah dan bersifat kekal.

Kemudian Thomson menjelaskan model atom, bahwa atom mempunyai bentuk

seperti bola yang muatan positifnya terbagi rata ke seluruh isi atom. Muatan positif

tersebut dinetralkan oleh elektron-elektron bermuatan negatif yang tersebar merata diantara

muatan positif itu.

Gambar 1.1. Model Atom Thomson

Untuk menguji model atom yang dikemukakan Thomson, E. Rutherford melakukan

percobaan dengan menembakkan partikel alfa pada suatu lempeng emas yang sangat tipis,

sekitar 0,01 mm. Apabila model atom Thomson benar maka gerakan partikel alfa tidak

akan dibelokkan atau memantul ketika menumbuk lempeng emas, karena energi partikel

alfa dan massanya jauh lebih besar dibanding elektron dan muatan positif yang menyebar.

Dari percobaan itu didapatkan bahwa partikel alfa yang ditembakkan ke lempeng

emas tidak seluruhnya mampu menembus lempeng emas secara lurus. Beberapa partikel

alfa dibelokkan dan sebagian lagi dipantulkan kembali. Hal ini menunjukkan bahwa

muatan positif tidak menyebar, tetapi mengumpul.

Rutherford berkesimpulan, sebagian partikel alfa yang dipantulkan kembali adalah

karena bertumbukan dengan bagian yang sangat keras dari atom, yang kemudian

dinamakan inti atom. Kemudian Rutherford mengusulkan model atom baru, yaitu: atom

terdiri dari muatan positif dan negatif, dimana semua muatan positif dan sebagian besar

- -

-

- -

-

-

-

-

3

massa atom terkumpul pada inti atom. Inti atom dikelilingi elektron-elektron yang

bermuatan negatif pada jarak yang relatif jauh. Elektron-elektron berputar mengelilingi inti

seperti planet-planet mengelilingi matahari.

Teori atom Rutherford ini kemudian disempurnakan oleh Niels Bohr pada tahun 1913

untuk mengatasi masalah kesetabilan inti. Dalam postulatnya Bohr mengatakan:

1. Elektron tidak dapat berputar mengelilingi inti melalui sembarang lintasan, tetapi

hanya dapat melalui lintasan-lintasan tertentu saja, tanpa membebaskan energi.

Lintasan ini disebut lintasan stasioner.

2. Apabila terjadi perpindahan elektron dari lintasan luar ke lintasan dalam, maka

akan disertai pelepasan energi. Sebaliknya, jika elektron berpindah dari lintasan

dalam ke luar, akan terjadi penyerapan energi.

Gambar 1.2. Model Atom Bohr

1.2 SIFAT INTI

1.2.1 Inti Atom

Inti suatu atom (nuklida) sangat kecil jika dibanding dengan diameter sebuah atom.

Jika diameter atom diperbesar sebesar lapangan sepak bola, maka inti hanya sebesar

kelereng. Bahkan, inti atom hanya menempati 10-15 bagian volume atom. Walaupun kecil,

+

Inti hf

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Sifat Inti, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan konsep inti atom • Menjelaskan pertikel penyusun inti atom • Menjelaskan lambang nuklida • Menjelaskan isotop, isoton dan isobar • Menjelaskan satuan dan orde massa inti serta teknik mengukur massa inti • Menjelaskan jari-jari inti dan teknik mengukurnya.

4

inti mengandung 99,99% massa sebuah atom. Sebab, massa setiap partikel inti kira-kira

1800 × massa sebuah elektron. Inti juga menghasilkan gaya tarik elektrik yang

menghimpun atom menjadi satu kesatuan. Bila gaya tarik Coulomb inti ini tidak ada, gaya

tolak-menolak antara elektron akan menyebabkan atom berantakan.

Lalu, gaya apakah yang menyebabkan partikel-partikel di dalam inti dapat menyatu?

Apakah proton-proton di dalam inti tidak tolak-menolak? Padahal, sebuah muatan positif

pada permukaan inti akan mengalami gaya sangat besar, yakni sekitar 100 MeV.

Untuk dapat mempertahankan keutuhan inti, terdapat gaya ikat yang sangat besar,

melebihi 100 MeV. Inilah yang dinamakan gaya inti (gaya nuklir).

1.2.2 Partikel Penyusun Inti

Massa sebuah atom dipusatkan di inti atom. Inti atom yang kecil tersebut terdiri atas

proton-proton yang bermuatan positif. Kesimpulan ini didapatkan dari riset yang dilakukan

oleh Rutherford yang menembaki inti atom dengan partikel alfa. Proton-proton dalam inti

atom dikelilingi elektron-elektron yang bermuatan negatif, dimana jumlah elektron sama

dengan jumlah proton sehingga secara keseluruhan atom bersifat netral.

Apakah inti atom hanya terdiri dari proton-proton? Jika inti atom hanya terdiri dari

proton, maka atom oksigen yang memiliki 8 proton akan memiliki massa kira-kira 8 kali

massa atom hidrogen yang hanya memiliki 1 proton dalam intinya. Padahal hasil

eksperimen menunjukkan bahwa massa atom oksigen kira-kira 16 kali massa inti atom

hidrogen. Jelas bahwa selain terdiri atas proton-proton, inti atom juga terdiri atas partikel-

partikel netral (tidak bermuatan) yang menyumbang pada massa inti atom.

Para ilmuan berusaha untuk menemukan jawaban atas masalah tersebut. Salah

satunya adalah fisikawan J. Chadwick, pada tahun 1933 berhasil menemukan partikel

netral yang menyumbang massa atom. Dia menyebut partikel tersebut sebagai netron.

Dengan demikian, sebuah inti terdiri atas proton dan netron. Kedua partikel ini

disebut nukleon atau nuklida (penyusun inti).

Gambar 1.3. Inti Atom Terdiri Dari Sejumlah Proton dan Sejumlah Netron

+

0

0

0 0

0

+

+

+ +

+

+

0

+ 0

0

0 +

+

0

Proton

Netron

5

Lambang Nuklida

Unsur-unsur yang berbeda memiliki jumlah proton yang berbeda. Contoh, Hidrogen

memiliki 1 proton, Helium memiliki 2 proton, dan Litium memiliki 3 proton. Bilangan

yang menunjukkan jumlah proton dinamakan nomor atom, lambangnya Z.

Jumlah netron pada netron disebut dengan nomor netron dan disimbolkan N. Nomor

massa adalah jumlah total proton dan neutron. Nomor massa diberi simbol A dan dapat

ditentukan dengan persamaan Z + N = A.

Setiap nuklida memiliki lambang berbeda. Suatu nuklida dengan simbol kimia X,

nomor massa A dan nomor atom Z, ditulis sebagai:

Gambar 1.4. Lambang Nuklida

Tabel 1.1. Contoh Penulisan Lambang Nuklida

Nuklida Unsur Proton Elektron Netron

H11

Bo105 N14

7 Cd114

48 U235

92

Hidrogen

Boron

Nitrogen

Cadmium

Uranium

1

5

7

48

92

1

5

7

48

92

0

5

7

66

143

1.2.3 Isotop

Inti atom yang memiliki jumlah proton yang sama diberi lambang atom sama. Contoh

nuklida yang memiliki proton 2 dinamakan Helium (He). Di alam ternyata ditemukan

nuklida He32 dan He4

2 . Contoh lain, nuklida yang memiliki jumlah proton 29 adalah

tembaga (Cu). Di alam juga ditemukan nuklida Cu6329 dan Cu65

29 .

Kedua variasi inti atom Helium dan Tembaga tersebut dinamakan isotop. Jadi, isotop

adalah nuklida yang memiliki nomor atom sama, tetapi nomor massa berbeda. Atau dapat

X A

Z

Nomor Massa

Nomor Atom

Simbol Unsur

6

juga dikatakan bahwa isotop adalah nuklida yang jumlah protonnya sama, tetapi jumlah

netronnya berbeda.

Setiap unsur memiliki isotop. Hidrogen memiliki tiga isotop, yaitu H11 (hidrogen

biasa), H21 (dinamakan deuterium), dan H3

1 (dinamakan tritium). Unsur-unsur lain

memiliki isotop yang lebih banyak.

Selain isotop juga dikenal istilah isobar dan isoton. Isobar adalah nuklida dengan

nomor massa sama, tetapi nomor atom berbeda. Atau nuklida dengan jumlah nukleon

sama, tetapi jumlah protonnya berbeda. Contoh H31 dan He3

2 .

Isoton adalah nuklida-nuklida yang jumlah netron dalam intinya sama. Contoh

H31 dan He4

2 .

1.2.4 Massa Inti

Satuan massa untuk SI adalah kg. Namun, satuan massa tersebut terlalu besar untuk

menggambarkan massa atom atau massa sebuah inti. Sebagai gantinya digunakan satuan

massa atom, yang dilambangkan u.

Menurut eksperimen 1 mol isotop C126 adalah 12 gram. 1 mol adalah jumlah zat

sebanyak 6,02 x 1023 (yang dikenal dengan bilangan Avogadro, NA

C126

)

Bila dihitung:

1 mol atom =12 g

6,02 × 1023 C126 atom =12 × 10-3

C126

kg

Massa 1 atom = 12 × 10-3 kg/(6,02 × 1023) = 1,99 × 10-26

C126

kg.

Sesuai dengan definisi 1 u sama dengan 1/12 massa aisotop

1 u = 1,99 × 10-26 kg/12 = 1,66 × 10-27

Dalam perhitungan fisika nuklir, massa adalah ekivalen dengan energi yang dapat

dihitung dengan persamaan Einstein

kg.

2mcE ∆= .

Maka 1 u setara dengan:

1 satuan massa atom (u) didefinisikan 121 massa isotop C12

6

1 u = 1,66 × 10-27 kg

7

E = (1,660566 × 10-27 kg) × (2,9979 × 108 m/s)2 = 14,9244229 × 10-11 J

Karena 1 eV = 1,602 × 10-19

Tabel 1.2. Muatan, Massa Diam dan Spin Nukleon

J

Maka 1 u setara dengan energi 931,502 MeV

Proton Netron

Muatan +1,6 × 10-19 0C C

Massa Diam 1,67252 × 10-27 1,67482 × 10 kg

938,256 MeV

1,007277 u

-27kg

939,550 MeV

1,008665 u

Spin ½ ½

1.2.5 Menentukan Massa Inti

Untuk mengukur massa inti dengan ketelitian tinggi digunakan spektrometer massa.

Bila detektornya masih menggunakan film, dinamakan spektrograf massa. Prinsip kerja

spektrograf massa dapat dijelaskan sebagai berikut (lihat gambar 1.5).

Gambar 1.5 Gambar Spektrograf Massa

Partikel bermuatan ditembakkan memasuki suatu ruang dari sumber S melalui celah

S1, dan masuk ke dalam ruang yang dipengaruhi medan magnet B dan medan listrik E

yang saling tegak lurus. Hal ini berguna untuk mengatur partikel (ion) agar bergerak

dengan kecepatan tertentu.

1 u setara dengan energi 931,502 MeV

S x x x

x x x

x x x

x x x

x x x

x x x

x x x

x x x x x x S1

S2

Film

8

Partikel di dalam dua medan yang berlawanan akan mengalami dua gaya yang

berlawanan

qvBqE = (1.1)

Sehingga didapatkan kecepatan partikel sebesar

BEv = (1.2)

Setelah itu partikel akan bergerak dengan kecepatan v memasuki ruang yang memiliki

medan magnet B’ yang tegak lurus dengan lintasan partikel, melalui celah S2

vrqBm

rvmqvB

FF sLorentz

'

'2

=

=

=

. Di dalam

medan magnet B’, partikel akan dibelokkan oleh gaya Lorentz dengan lintasan lingkaran

berjari-jari r hingga jatuh pada pelat film.

(1.3)

Jika nilai q, B’, dan v telah diketahui, maka nilai m ditentukan oleh besarnya nilai r.

Untuk r kecil, m juga kecil dan sebaliknya.

Contoh

Sumber ion mengeluarkan ion melalui velocity selector yang medan listriknya E = 4,0

kV/m dan medan magnetnya B = 0,1 T. A) berapakah kecepatan ion, B) Jika setelah

melewati S2 memasuki medan magnet B’ = 0,05 T, jika jari-jari lintasannya 13 cm dan dan

muatannya 1,6 × 10-19

smBEv /104

1,0104 4

3

×=×

==

C

Jawab

a.

b. kgv

rqBm 26106,2' −×==

1.2.6 Jari-jari Inti

Mendefinisikan secara tepat jari-jari inti sama sulitnya mendefinisikan jari-jari sebuah

atom. Sebab, distribusi muatannya tidak berakhir pada suatu tepi yang jelas.

Banyak inti berbentuk agak bulat (walaupun ada beberapa yang agak lonjong) dan

ketergantungan kerepatan ditunjukkan oleh gambar 1.6:

Rap

at m

uata

n in

ti fm

-3 0,06

9

Gambar 1.6. Disribusi Muatan Inti

Dari beraneka ragam eksperimen, diketahui banyak hal mengesankan tentang sifat

rapat inti. Terlihat bahwa rapat inti tidak berubah. Dengan kata lain, jumlah netron dan

proton tiap satuan volume kurang lebih tidak berubah di seluruh daerah inti atom:

tetapanR

A≅=

+3)3/4(intivolume

protonnetronjumlahπ

(1.4)

Jadi 3RA ∝

Atau 3/1AR ∝

Dengan mendefinisikan tetapan pembanding R0

3/10 ARR =

, diperoleh

(1.5)

Tetapan R0 harus ditentukan dengan eksperimen. Di antara eksperimen yang

digunakan adalah dengan menghamburkan partikel bermuatan (alfa atau elektron) pada

inti. Ternyata nilai R0 sangat bergantung pada sifat inti yang diukur. Untuk ukuran

distribusi massa, R0 sekitar 1,4 fm (10-15m) dan untuk ukuran distribusi muatan, R0

mR 153/115 107,2)12)(102,1( −− ×=×=

sekitar

1,2 fm.

Contoh

a. Hitunglah nilai hampiran jari-jari karbon (A = 12) dan b. Hitunglah massanya

seandainya inti karbon memiliki jari-jari r = 1 cm

Solusi

a.

10

b.

kgm

kgxxrR

AVm

RA

Vm

npengandaia

12

315

32273

3

3

1001,1)107,2(

)10(1066,112)3/4()3/4(

)(

)3/4(

×=

××

=×==

==

−

−−

ππ

ρ

πρ

Massa inti karbon dengan jari-jari 1 cm, sekitar 1 milyar ton!?!

1.2.7 Mengukur Jari-Jari Inti

Salah satu cara untuk mengukur ukuran inti adalah dengan menghamburkan partikel

bermuatan, seperti partikel alfa pada hamburan Rutherford. Selama partikel alfa masih di

luar inti, rumus Rutherford tetap berlaku, begitu jarak terdekatnya lebih kecil daripada jari-

jari inti, terjadi penyimpangan dari rumus Rutherford.

Gambar 1.7. Grafik Hamburan Rutherford dan Hamburan Nuklir

Percobaan lain juga dapat digunakan untuk mengukur jari-jari inti. Gambar 1.8

memperlihatkan semacam pola difraksi. Difraksi di sini sama dengan difraksi cahaya oleh

celah bulat.

Minimum pertama dapat dicari dengan persamaan:

)22,1(sin 1

dλθ −= (1.6)

λ adalah panjang gelombang radiasi terhambur dan d diameter.

Pada energi 420 MeV, elektron memiliki panjang gelombang deBroglie 2,95 fm, dan

pengamatan minimum pada sekitar 440 untuk 16O dan 500 untuk 12C. Dari hasil itu bisa

dihitung jari-jari 16O dan 12C sebesar 2,6 fm dan 2,3 fm.

1

3

2

3

2

4

Inte

nsita

s ham

bura

n pa

da su

dut 6

00

(MeV)

Rumus Rutherford

11

THOMSON Sir Joseph John Thomson adalah ahli fisika penemu elektron (1897), penemu neon 20 dan

22 (1912), pemenang Hadiah Nobel (1906), pembaharu Laboratorium Cavendish (1884), guru yang menghasilkan murid-murid peraih nobel. Murid Thomson antara lain Sir George Paget Thomson (anaknya sendiri), Francis W. Aston (penemu spektroskop), Rutherford (penemu sinar alfa, proton, beta dan teori struktur atom), Cockroft dan Walton (penemu reaksi nuklir buatan), Chadwick (penemu netron); direktur Laboratorium Cavendish selama 35 tahun (1884-1919), dan anggota Royal Society.

Thomson adalah orang pertama yang membuat model atom (1904). Menurut Thomson, atom mirip roti kismis. Tapi model atom Thomson hanya bertahan 7 tahun. Pada tahun 1911

Gambar 1.8. Pola Difraksi Hamburan Nuklir

Soal-soal

1. Tentukan jumlah netron dan proton untuk inti Rn22286 dan Th232

90

2. Berapa jumlah molekul yang terdapat dalam 0,534 kg UO2

3. Tentukan jari-jari inti

(diketahui A untuk

uranium dan oksigen masing-masing 235 dan 16)

O16 dan Pb208

4. Carilah rasio inti terhadap kerapatan atomik untuk hidrogen (diasumsikan jari-jari inti

1 fm).

5. Dalam spektrograf massa, ion klor yang bermuatan tunggal masuk dalam medan

megnet B = 0,15 T secara tegak lurus dengan kecepatan 5 × 104

Biografi

m/s. Klor ternyata

mempunyai dua isotop bermassa 34,97u dan 36,97u. Tentukan jari-jari lingkaran yang

ditempuh masing-masing isotop dalam medan magnet tersebut.

Inte

nsita

s ter

ham

bur

Sudut hamburan (derajat) 30 40 50 60 70

12

RUTHERFORD Ernest Rutherford adalah ahli fisika nuklir penemu radioaktivitas, penemu transmutasi

atom (1902), penemu teori struktur atom (1911), penemu sinar alfa, beta, dan proton; penemu unsur buatan pertama di dunia (1919); meramalkan adanya netron, isotop, hidrogen dan helium (1920); pemenang Hadiah Nobel untuk kimia (1908), bapak fisika nuklir, Presiden Royal Society, pengarang (80 karya tulis), mendapat hadiah Order of Merit (1921) dan Medali Copley 91922). Medali Copley adalah hadiah tertinggi dari Royal Society (Lembaga Ilmu Pengetahuan Inggris) untuk ilmuan paling berprestasi.

Rutherford lahir di Spring Grove, Selandia Baru pada tanggal 30 Agustus 1871 dan meninggal di Cambridge, Inggris, pada tanggal 19 Oktober 1937 pada umur 66 tahun. Ayahnya mempunyai 12 anak dan dia anak yang keempat.

Ayah Rutherford hanyalah pemilik bengkel yang kerjanya memperbaiki roda gerobak dan kereta yang rusak. Ia juga merangkap sebagai petani. Ketika mendapat kabar akan mendapat beasiswa, Rutherford sedang menanam kentang di ladang. Ia sangat bergembira.

Meski anak miskin, Rutherford anak yang cerdas. Pada umur 16 tahun ia mendapat beasiswa dari Nelson College. Di sini ia cukup dikenal karena pandai bermain sepak bola, mau mengerjakan pekerjaan kasar dan berhasil jadi juara kelas. Akibatnya ia mendapat beasiswa lagi dari Canterbury College. Ia kuliah di sini sampai mendapat gelar MA. Ia mencari nafkah dengan jalan menjadi guru honorer.

Ia membuat karya tulis yang membuat dia memperoleh beasiswa dari Universitas Cambridge di Inggris. Pada 1895 pada umur 24 tahun ia pindah ke Inggris.

CHADWICK Sir James Chadwick adalah ahli fisika penemu neutron, pemenang Hadiah Nobel,

anggota Royal Society, penerima Mendali Franklin, Medali Copley, Medal of Merit. Chadwick lahir di Manchester, Inggris, pada tanggal 20 Oktober 1891 dan meninggal di

Cambridge pada tanggal 24 Juli 1974 pada usia 83 tahun. Sejak tahun 1919 ia bekerja dengan Rutherford. Mereka berdua membuat transmutasi

buatan dengan jalan menembakkan partikel alfa pada unsur-unsur. Pada tahun 1897 Thomson menemukan elektron. Pada tahun 1911 Rutherford menemukan proton. Inti atom sendiri terdiri dari proton dan netron, tapi pada waktu itu orang belum menemukan netron.

Pada tahun 1930 W. Bothe dan H. Becker yang sedang mengadakan riset di Jerman yaitu dengan menembaki berilium menggunakan partikel alfa. Akibatnya timbul sinar yang sangat kuat daya tembusnya. Mereka mengira itu adalah sinar gamma dengan energi tinggi.

13

ASTON

Francis William Aston adalah ahli fisika penemu spektograf massa (1919), pemenang Nobel karena menemukan isotop, penerima Royal Medal, dan anggota Royal Society.

Spektograf massa adalah alat untuk mengukur massa atom. Dengan alat itu dapat diketahui atom yang ringan dan atom yang berat.

Aston lahir di Harborne, Brimingham, Inggris pada tanggal 1 September 1877 dan meninggal di Cambridge Inggris pada tanggal 20 November 1945.

Sejak kecil ia belajar kimia, tetapi setelah Rontgen menemukan sinar-X pada tahun 1895, Aston mulai mempelajari terjadinya sinar-X. Tujuh tahun kemudian (1910) ia jadi asisten Thomson. Thomson sedang menyelidiki sinar bermuatan positif yang berasal dari pelepasan gas. Sesudah menyelidiki neon, Thomson berkesimpulan bahwa hanya neon yang terdiri dari campuran isotop.

Selanjutnya Aston membuat alat sinar positif jenis baru yang diberi nama spektrograf massa. Dengan alat ini ia dapat memisahkan atom-atom yang berlainan massanya dan mengukur massanya dengan ketepatan yang sangat tinggi. Dengan alat ini ia membuktikan bahwa kesimpulan Thomson kurang tepat. Tidak hanya neon yang terdiri dari campuran isotop, tapi banyak unsur lain juga campuran isotop. Bahkan Aston dapat menemukan 212 dari 287 isotop yang terjadi secara alamiah.

4

II. ENERGI IKAT DAN GAYA INTI

2.1 ENERGI IKAT

2.1.1 Massa Defek Dan Energi Ikat

Hasil pengukuran menunjukkan bahwa massa atom tertentu selalu lebih kecil

dibandingkan dengan massa total dari netron, proton, dan elektron yang menyusun atom.

Perbedaan antara massa atom dan penjumlahan total dari massa penyusun atom disebut

massa defek.

Massa defek ( )m∆ dapat dihitung menggunakan Persamaan (2.1):

[ ] atomnep mmZAmmZm −−++=∆ )()( (2.1)

dengan mp adalah massa satu proton, mn adalah massa satu neutron, me massa satu

elektron, matom

[ ] inp mmZAZmm int)( −−+=∆

adalah massa atom, Z nomor atom, dan A nomor massa.

Dalam kasus inti juga sama. Massa inti tertentu juga selalu lebih kecil dibanding

dengan massa total dari partikel-partikel penyusunnya. Perbedaan massa untuk inti

dirumuskan

(2.2)

Sebagai contoh inti deuterium H21 atau d, yang tersusun dari satu proton dan satu

netron, massanya lebih kecil dibanding partikel-partikel penyusunnya.

Kemanakah massa yang hilang tersebut? Ternyata massa yang hilang tersebut

dikonversi menjadi energi ikat (Binding Energy, B), yang mengikat agar partikel-partikel

penyusun inti tidak berantakan.

Konversi massa-energi dapat dihitung dengan perumusan Einstein: 2mcE ∆= (2.3)

Sub-pokok Bahasan Meliputi: • Energi Ikat • Gaya Inti

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Energi Ikat, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan konsep massa defek dan energi ikat inti serta caranya menghitung • Menjelaskan energi ikat per nukleon dan cara menghitungnya • Menjelaskan grafik energi ikat per nukleon untuk tiap inti dan indikasi adanya

reaksi fisi dan fusi

dengan c adalah kecepatan cahaya 2,998 x 108

H21

m/s

Dengan demikian maka energi ikat deuterium ( ) yang tersusun dari satu proton

dan satu netron dituliskan: 2)( cmmmB dpn −+= (2.4)

md

eeiatom BZmmm ++= int

adalah massa inti deuterium, bukan massa atom deuterium. Perlu diingat bahwa

massa inti atom berbeda dengan massa atom. Hubungan massa ataom dan inti, dinyatakan:

(2.5)

Be adalah energi ikat elektron total. Dalam kenyataannya, energi massa inti berorde

109 hingga 1011 eV, sementara massa elektron total berorde 1 hingga 104 eV. Jadi, suku

terakhir persamamaan (2.5) yaitu (Be

)11 H

) kecil sekali dibanding dengan suku-suku di

depannya. Dalam batas ketelitian tertentu, suku terakhir terkadang bisa dihilangkan.

Sehingga biasanya dinyatakan, misalnya, bahwa massa inti atom hidrogen (proton atau

adalah massa atom hidrogen dikurangi massa satu elektron. Dengan menyisipkan

pernyataan ini ke dalam persamaan (2.4), didapatkan: 22

111 ))(())((( cmHmmHmmB een −−−+=

221

11 ))()(( cHmHmmB n −+= (2.6)

Dari persamaan (2.6), dapat dilihat bahwa massa elektron saling menghilangkan.

Oleh karena itu, persamaan (2.6) dapat diperluas untuk menentukan energi ikat total

sembarang inti atom XAZ

2))()(( cXmmZAZmB AZnp −−+= (2.7)

dengan )( Xm AZ adalah massa atom X. Jika m dalam satuan massa atom (u), maka

akan lebih mudah jika c2

Te12652

ditulis tulis 931,5 MeV/u. (Lihat bab I tentang satuan massa)

Contoh

Hitunglah energi ikat

Jawab

MeVxuMeVxuuxuxB 310066,1/5,931)903322,125008665,17007825,152( =−+=

2.1.2 Energi Ikat Pernukleon

Untuk mengetahui besarnya energi ikat yang dirasakan setiap partikel inti (nukleon),

tinggal membagi energi ikat total dengan jumlah seluruh nukleon (nomor massa, A). Jika

6

energi ikat per nukelon (B/A) untuk tiap unsur dihitung, lalu ditampilkan dalam grafik,

maka akan tampak seperti gambar (2.1)

Gambar. 2.1 Grafik Energi Ikat per Nukleon

Gambar 2.1 memberikan ilustrasi salah satu aspek penting dalam fisika inti. Energi

ikat per nukleon (B/A) bermula dengan nilai yang rendah, kemudian naik menuju titik

maksimum yaitu sekitar 8,79 MeV bagi Fe56 , dan selanjutnya turun lagi pada inti-inti

berat.

Gambar 2.1 tersebut memberi indikasi bahwa energi inti dapat dibebaskan dengan

dua cara berbeda. Jika jika inti berat (seperti U238 ) dipecah menjadi dua inti yang lebih

ringan, maka akan dilepaskan energi. Sebab, energi ikat per nukleon (B/A) lebih besar bagi

kedua pecahannya, dibandingkan inti semula. Jika energi ikat pernukleon (B/A) lebih besar

berarti massanya lebih kecil. Artinya ada massa yang hilang yang akan dikoversi menjadi

energi. Proses ini dikenal dengan fisi inti.

Selain itu, jika dua inti ringan (seperti H2 ) digabungkan menjadi suatu inti yang

lebih berat, juga akan dibebaskan energi. Sebab, energi ikat per nukleon (B/A) juga lebih

besar bagi inti abungan dibandingkan inti semula. Proses ini dikenal dengan fusi inti.

2.2 GAYA INTI

Nomor Mass A

Ener

gi ik

at p

er n

ukle

on (J

)

Fisi Fusi

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Gaya Inti, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan sifat-sifat gaya inti: besarnya gaya inti, jangkauan gaya inti • Menjelaskan model gaya inti dan hipotesis adanya meson

2.2.1 Sifat Gaya Inti

Jika proton dan proton didekatkan, keduanya pasti akan saling menolak, karena

adanya gaya Coulomb. Padahal di dalam inti, terutama inti berat, terdapat banyak proton.

Seharusnya inti atom berantakan karena proton-proton saling menolak. Tetapi, hal ini tidak

terjadi, karena di inti ada gaya lain yang sangat besar yang mengikat inti untuk bersatu dan

jauh lebih besar dibanding gaya tolak elektrostatik. Gaya tersebut dinamakan gaya inti.

Gaya ini merupakan gaya paling kuat dari semua gaya yang diketahui. Karena itu, gaya ini

sering disebut gaya kuat (strong force).

Namun gaya ini jangkauannya sangat pendek, yaitu hanya sejauh ukuran inti (sekitar

10-15

Gambar 2.2. Jangkauan Gaya Inti

Ada dua bukti mengenai jangkauan pendek dari gaya inti ini.

m). Pada jarak lebih dari 1 fm gaya ini akan melemah dan akhirnya menjadi nol.

Sehingga ketika kedua proton terpisah agak jauh, yang ada hanya gaya tolakan

elektrostatic Coulomb, sementara gaya nuklirnya bernilai nol.

1. Dari kajian kerapatan zat inti. Penambahan nukleon pada inti tidak mengubah

kerapatan inti. Ini menunjukkan bahwa bahwa tiap nukleon yang ditambahkan

hanya merasakan gaya dari tetangga terdekatnya, dan tidak dari nukleon yang lain.

2. Dari energi ikat per nukleon. Karena energi ikat per nukleon kurang lebih tetap,

maka energi ikat inti total kurang lebih sebanding dengan A. Suatu gaya

berjangkauan panjang (seperti gaya Coulomb dan gaya gravitasi) memiliki energi

yang sebanding dengan A2. Sebagai contoh, tolakan elektrostatik total antara proton

dalam inti sebanding dengan Z (Z-1) atau sekitar Z2. hal ini karena setiap Z proton,

merasakan tolakan dari (Z-1) proton lainnya.

~ 1 fm

Jarak Pisah

Energi ikat inti

40 MeV

0

Gambar 2.3. Jangkauan Gaya Inti pada Partikel Tetangga Terdekat

Gaya inti dua nukleon juga tidak bergantung pada jenis nukleon. Gaya inti antara

proton-netron sama seperti gaya proton-proton.

2.2.2 Model Gaya Inti

Model yang berhasil menjelaskan asal usul gaya berjangkaun pendek ini adalah

model gaya tukar (exchange force), yang diusulkan oleh Yukawa. Diandaikan ada sebuah

proton dan netron di dalam inti. Menurut model ini, netron memancarkan sebuah partikel

dan sekaligus menariknya dengan gaya yang sangat kuat. Jika partikel tadi menghampiri

proton, ia akan tertarik pola oleh proton dengan suatu gaya tarik yang sangat kuat. Proton

kemudian memancarkan sebuah partikel yang dapat diserap oleh netron. Karena proton dan

netron masing-masing menarik partikel yang dipertukarkan tersebut dengan gaya tarik

yang kuat, maka mereka seakan saling menarik.

Gambar 2.4. Ilustrasi Model Gaya Inti

Lalu, bagaimana mungkin sebuah netron dengan massa diam 20cm memancarkan

partikel dengan massa diam 2mc dan tetap sebagai netron, tanpa melanggar hukum

kekeakaln energi?

Jawabannya diberikan oleh asas ketidakpastian Heisenberg:

~2 fm

∝∆∆ txE (2.8)

Energi adalah kekal, jika energi itu dapat diukur secara pasti. Kenyataannya, menurut

ketidakpastian Heisenberg, energi E∆ memiliki ketidak-pastian dalam selang waktu t∆ .

Oleh karena itu, hukum kekekalan energi dapat ”dilanggar” sebesar E∆ dalam selang

waktu Et ∆=∆ / yang cukup singkat.

Jumlah energi yang melanggar hukum kekekalan energi dalam model gaya tukar

netron-proton ini adalah 2mc , yaitu energi diam partikel yang dipertukarkan.

Dengan demikian, partikel ini hanya dapat hadir dalam selang (dalam kerangka

laboratorium)

2mct =∆ (2.9)

Jarak terjauh yang dapat dicapai partikel ini dalam selang waktu t∆ adalah x = c t∆ .

Dengan c adalah kecepatan cahaya. Namun, kecepatan yang sesuangguhnya partikel

tersebut di bawah kecepatan cahaya. Persamaan tersebut dapat diubah:

=∆= 2mc

ctcx (2.10)

Atau

xcmc

=2 (2.11)

Karena telah diketahui jangkaun gaya inti hanya sekitar 10-15

MeVmc 2002 ≅

m, maka energi diam

partikel tersebut dapat ditaksir, yaitu sekitar:

Partikel yang dipertukarkan ini berupa sebuah partikel ”virtual”. Jika inti atom

”dilihat” lebih seksama, gaya tarik menarik antara proton dan netron dapat ”terlihat”, tetapi

partikel virtual ini tidak terlihat.

Jika inti atom ditembaki dengan proyektil (partikel berenergi tinggi), proyektil

tersebut akan menumbuk proton dan netron sedemikian kuatnya, sehingga memasok

momentum pental yang memperkenankan partikel virtual itu menjadi partikel nyata dan

muncul dalam laboratorium. Partikel itu dinamakan dengan meson.

0

Soal-soal:

1. Jika diasumsikan bahwa muatan inti terdistribusi seragam, buktikan bahwa energi

potensial listrik proton-proton di dalam inti adalah R

eZkZEc

2)1(53 −

=

2. Hitunglah energi Coulomb Ge7332

3. Hitunglah energi ikat total dan energi ikat per nukleon untuk Co59 dan Ca55

4. Berapakah energi yang dibutuhkan untuk melepas ikatan satu netron yang cukup kuat

dalam C4020 (diketahui massa Ca40

20 39,962589u dan massa Ca3920 38,970691u)

5. Interaksi lemah (gaya yang menyebabkan terjadinya peluruhan beta) diduga berasal

dari partikel tukar dengan massa kurang lebih 75 GeV. Berapakah jangkaun gaya ini.

Biografi

YUKAWA (PENEMU TEORI MESON) Hideki Yukawa adalah ahli fisika Jepang, penemu teori meson. Ia meramalkan adanya

meson (1935). Dua belas tahun kemudian (1947) Powell, ahli fisika Inggris, menemukan meson. Jadi ramalan Yukawa benar. Oleh karena itu, pada tahun 1949 Yukawa mendapat Hadiah Nobel untuk fisika. Yukawa adalah orang Jepang pertama yang mendapat Hadiah Nobel.

Yukawa lahir di Tokyo pada 23 Januari 1907. Ayahnya guru besar geologi. Pada umur 22 tahun ia lulus dari Universitas Kyoto. Kemudian ia berusaha keras untuk menyusun teorinya tentang partikel elementer. Memang sejak SMA ia sangat tertarik pada fisika murni tentang atom.

Pada tahun 1932 ia memberi kuliah di Universitas Kyoto. Enam tahun kemudian mendapat gelar doktor dari Universitas Osaka.

Pada tahun 1920 Rutherford menemukan proton dan pada tahun 1932 Chadwick menemukan neutron. Sesudah proton dan netron ditemukan, Yukawa mulai berpikir, apa yang menyebabkan proton dan netron bersatu sehinga tidak berantakan? Tentu saja harus ada semacam “lem” yang mengikat antara proton dengan netron. Maka Yukawa lalu menyusun teorinya. Massa partikel (sebagai “lem”) itu haruslah diantara massa elektron dan proton, atau kira-kira 200 kali massa elektron. Maka partikel itu kemudian dinamakan meson (kata Yunani yang berarti tengah). Apakah partikel itu ada? Itu harus dibuktikan.

Pada tahun 1912 Victor Hess, ahli fisika Austria, menemukan sinar kosmik. Sinar ini berasal dari angkasa luar dan kemudian diketahui terdiri dari proton, elektron, netron, positron, dan foton. Pada tahun 1947 Powell menemukan meson dalam sinar kosmik. Ternyata meson mempunyai energi yang sangat besar dan bergerak mendekati kecepatan cahaya serta dapat menembus apa saja. Meson dapat menembus atom, inti atom, air, dan tanah setebal 700 meter.

Partikel itu sekarang dikenal dengan nama meson pi atau pion dan mempunyai massa 270 kali massa elektron. Di dalam inti atom, netron dan proton dengan cepat sekali saling menukarkan meson pi. Netron dan proton terus menerus menyerap dan melepaskan meson pi sehingga netron dan proton bersatu padu dengan kuat sekali.

ALBERT EINSTEIN Einstein adalah ahli fisika teori terbesar sepanjang abad ini, pemikir paling kreatif di

dunia, pemenang Hadiah Nobel karena menemukan teori foton cahaya (1921) dan penemu formula E = Δmc2. Pada umur 26 tahun ia menemukan teori relativitas khusus (1905) dan pada umur 37 tahun menemukan teori relativitas umum (1916).

Einstein lahir di Ulm, Wurttemberg, Jerman, pada tanggal 14 Maret 1879 dan meninggal pada tanggal 18 april 1955 di Princeton, New Jersey, AS, pada umur 76 tahun.

Ayahnya bernama Hermann, ibunya bernama Paulina Koch. Ayahnya memiliki perusahaan kecil yang membuat alat-alat listrik. Satu tahun sesudah Einstein lahir keluarga itu pindah ke Munich, Jerman. Ketika anak yang sebaya sudah dapat bicara, Einstein belum dapat. Orang mengira bahwa Einstein anak yang terlambat perkembangannya. Pada umur 5 tahun ia diberi ayahnya sebuah kompas. Ia heran mengapa jarum kompas tetap menunjuk ke utara meskipun kompas diputar ke arah mana pun. Kelak ia tahu bahwa di belakang semua benda tampak, ada kekuasaan yang mahabesar yang tak tampak.

Pada saat duduk di bangku SD Einstein sama sekali tidak menonjol, bahkan ia termasuk anak yang bodoh. Ia tidak suka pada disiplin sekolah yang keras. Ia tidak suka menghafalkan fakta dan data. Ia hanya tertarik pada fisika dan matematika. Kegemarannya yang sangat menonjol adalah membaca, berpikir, dan belajar sendiri. Guru-gurunya menganggap dia pemalu, bodoh, malas belajar, dan suka menentang tata tertib.

Karena ia hanya mau mempelajari fisika dan matematika maka ia tidak lulus SMP. Pada waktu itu perusahaan ayahnya bangkrut. Ayahnya lalu pindah ke Swiss. Di Swiss Einstein melanjutkan sekolahnya. Ia dapat lulus sampai SMA, tapi ketika menempuh ujian masuk perguruan Tinggi, ia tidak lulus. Ia baru lulus setelah menempuh ujian yang kedua. Ia lalu diterima di Institut di Zurich, Swiss. Tapi ia jarang ikut kuliah. Ia lebih suka membaca dan belajar sendiri fisika teori. Namun ia dapat lulus dari Perguruan Tinggi itu karena meminjam catatan teman kuliah. Pada umur 21 tahun ia jadi warga Swiss. Tapi ia tidak segera mendapat pekerjaan. Ia mengangur selama 2 tahun. Baru pada tahun 1902 pada umur 23 tahun, ia mendapat pekerjaan di kantor paten di Bern setelah menjadi guru matematika selama dua bulan. Namun tiap ada kesempatan ia selalu berpikir dan mempelajari fisika teori.

Pada umur 24 tahun ia menikah dengan Mileva Marie, bekas teman saat kuliah. Mereka dikaruniai dua orang anak laki-laki. Tapi perkawinan mereka tidak bahagia. Pada tahun 1905 pada umur 26 tahun, Einstein menemukan teori relativitas khusus. Ia lalu diangkat menjadi profesor fisika teori di Universitas Jerman di Praha (1912). Tahun berikutnya ia diangkat jadi direktur Institut Fisika Kaisar Wilhelm di Berlin. Sebenarnya ia segan kembali ke Jerman. Tapi jabatan itu memberikan banyak waktu luang kepadanya untuk berpikir karena tak ada tugas resmi atau kewajiban mengajar. Ia terpaksa menerima jabatan tersebut dan kehilangan istri, karena Mileva tidak mau ikut ke Jerman. Mereka akhirnya bercerai.

Einstein menemukan teori relativitas umum pada tahun 1916. Einstein pindah ke AS (1933) dan bekerja pada Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey. Ia datang di Amerika bersama istrinya yang kedua, Elsa.

Meskipun membenci perang, pada tahun 1939 Einstein-lah yang berkirim surat kepada Presiden Roosevelt untuk meyakinkan agar AS membuat bom atom sebelum didahului oleh Jerman. Bersama Bertrand Russell, ahli filsafat dan matematika Inggris, ia membuat deklarasi anti bom atom dan anti perang.

Einstein percaya bahwa alam semesta tidak terjadi karena kebetulan. Ia percaya bahwa alam diciptakan Tuhan dan Tuhan menata alam semesta dengan hukum-hukum dan aturan-aturan yang rapi dan harmonis. “Hal yang paling tidak dapat dipahami tentang dunia adalah bahwa dunia dapat dipahami”, katanya.

Ia adalah pemiki serius yang tak takut salah. Einstein berkata, “Saya berpikir terus-menerus, berbulan-bulan, dan bahkan bertahun-tahun. Sembilan puluh sembilan kali kongklusi saya keliru. Tapi yang keseratus kali saya benar.”

22

III. MODEL-MODEL INTI

3.1 MODEL TETES CAIRAN

3.1.1 Konsep Model Tetes Cairan

Saat ini tidak ada teori dasar yang dapat menjelaskan sifat-sifat inti yang teramati.

Sebagai pengganti teori, beberapa model telah dikembangkan, namun hanya beberapa yang

dapat menjelaskan sifat inti.

C. V. Wieszacker pada tahun 1935 mendapati bahwa sifat-sifat inti berhubungan

dengan ukuran, masa dan energi ikat. Hal ini mirip dengan yang dijumpai pada tetes cairan.

Kerapatan cairan adalah konstan, ukurannya sebanding dengan jumlah partikel atau

molekul di dalam cairan, dan penguapannya (energi ikatnya) berbanding lurus dengan

massa atau jumlah partikel yang membentuk tetesan.

Model tetes cairan membawa pada persamaan semi empiris. Massa defek inti

dirumuskan: 4/3

51

43/12

33/2

21 2)2()( −−− +−+++−−+= AbAZAbAZbAbAbmZAZmm np (3.1)

Konstanta dalam persamaan (3.1) ditentukan dari eksperimen, yang nilainya:

b1 = 14,0 MeV b3 = 0,58 MeV

b2 = 13,0 MeV b4 = 19,3 MeV

Sedangkan b5 nilanya ditentukan dengan skema berikut:

A Z b5

Genap Genap -33,5 MeV

Genap Ganjil +33,5 MeV

Ganjil - 0

Sub-pokok Bahasan Meliputi: • Model Tetes Cairan

• Model Kulit

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Model Tetes Cairan, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan konsep model tetes cairan dan persamaan semi empiris model ini • Menjelaskan koreksi-koreksi terhadap persamaan semi empiris

23

3.1.2 Koreksi Persamaan Semi Empiris

Persamaan (3.1) diperoleh dari berbagai koreksi yang dilakukan berurutan.

Dengan energi ikat yang diabaikan, estimasi pertama adalah untuk massa inti yang

tersusun dari proton Z dan neutron N = A-Z adalah np mZAZm )( −+

Selanjutnya, estimasi massa ini dikoreksi untuk menghitung energi ikat inti. Lantaran

gaya inti adalah tarik menarik, energi ikatnya menjadi positif, sehingga massa inti menjadi

lebih kecil dibanding massa nukleon yang terpisah-pisah. Dari model tetes cairan,

penguapan panas (energi ikat) berbanding lurus dengan jumlah nukleon A. Sehingga

menghasilkan koreksi sebesar (–b1 A).

Asumsi pada koreksi pertama, yaitu b1 pernukleon, tentu tidak terlalu tepat. Sebab,

hal itu hanya berlaku untuk inti di bagian dalam yang dikelilingi inti yang lain. Sedangkan

inti pada bagian permukaan, pasti terikat lebih lemah. Makanya diperlukan koreksi

permukaan yang besarnya seluas permukaan inti, yaitu (b2 A2/3).

Selanjutnya adalah koreksi dari adanya Energi Coulomb (Ec

3/1

2

3/10

22

)( AZ

ArZ

RZEc ∝=∝

) antar proton yang tolak-

menolak. Adanya gaya tolak-menolak ini, energi ikat (besanya massa defek) akan lebih

kecil.

(3.2)

Yang memberikan koreksi sebesar (b3 Z2 A-1/3

14

124 2)2()( −− −=− AZAbAZNb

).

Sampai disini bentuk ekspresi massa inti telah didapatkan dari analogi dengan tetesan

cairan bermuatan. Selain itu, muncul koreksi dari mekanika kuantum. Menurut prinsip

pengecualian Pauli, jika terdapat kelebihan netron ketimbang proton atau kebalikannya di

dalam inti, maka energinya (massanya) akan mengalami kenaikan. Akhirnya muncul

koreksi

Nukleon-nukleon di dalam inti juga cenderung berpasangan. Netron-netron atau

proton-proton akan berkelompok bersama dalam spin-spin yang berbeda. Akibat efek ini

menimbulkan pasangan energi hadir bervariasi sebesar A-3/4

[ ]

4/75

24

3/423

3/121

2

)2(/

)(/

−−− −−−−−=

−−+=

AbZAbAZbAbbABEA

cmmZAZmABE np

dan bertambah sebesar jumlah

nukleon-nukleon tidak berpasangan.

Rata-rata energi ikat per nukleon diperoleh dari persamaan diatas:

(3.3)

24

Dari persamaan diatas jika digambarkan akan tampak seperti gambar 3.1.

Gambar 3.1 Energi ikat per nukleon

Pendekaan tersebut nampak cukup sesuai dengan hasil eksperimen, meskipun tidak

tepat sama.

3.2 Model Kulit

3.2.1 KonsepModel Kulit

Pada model tetesan cairan, nukleon-nukleon tidak diperlakukan secara individu,

tetapi dipandang secara kolektif (rata-ratanya). Model ini berhasil menjelaskan beberapa

sifat inti, seperti rata-rata energi ikat per nukleon. Namun, sifat inti lainya, seperti energi-

energi keadaan eksitasi dan momen magnetik inti, membutuhkan pemakaian model

mikroskopik dalam perhitungan perilaku nukleon-nukleon secara individu.

Menurut data eksperimenl, terbukti bahwa sifat-sifat inti mengalami perubahan pada

N atau Z sebesar 2, 8, 20, 28, 50, 82, atau 126 yang dikenal sebagai “bilangan ajaib”

Nomor Mass A

Ener

gi ik

at p

er n

ukle

on (M

eV)

40 80 100 140 200 240

10

8

6

4

2

56Fe

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Model Kulit, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan konsep model kulit inti • Menjelaskan tingkat-tingkat energi inti

25

(Gambar cari di buku Krane). Pada bilangan ajaib ini didapatkan bahwa inti berada dalam

keadaan stabil dan berjumlah banyak.

Selain itu, energi-energi keadaan tereksitasi pertama pada “bilangan ajaib”, ternyata

lebih besar dibandingkan dengan inti-inti di luar “bilangan ajaib”. Sebagai contoh perak,

dengan bilangan ajaib Z = 50 memiliki 10 isotop stabil, sehingga energi yang dibutuhkan

untuk melepaskan proton sekitar 11 MeV dan keadaan tereksitasi pertama untuk isoto-

isotop genap-genap (N dan Z bernilai genap) adalah sekitar 1,2 MeV di atas keadaan dasar.

Sebaliknya untuk isotop-isotop terulium (Z = 52) energi yang dibutuhkan untuk

melepas proton 7 MeV dan untuk isotop-isotop genap, keadaan tereksitasi pertama

memiliki energi sebesar 0,6 MeV.

Tampak sekali ada semacam pola sebagaimana pada atom yang elektron-elektronnya

mengisi kulit atom dengan pola tertentu. Kesamaan dalam perilaku ini mengisyaratkan

adanya kemungkinan bahwa beberapa sifat inti dapat dijelaskan dengan model kulit inti.

3.2.3 Tingkat Energi Model Kulit

Struktur kulit atom didapatkan dari suatu deret pendekatan yang berurutan. Pertama

kita asumsikan bahwa tingkat-tingkat energi untuk suatu inti bermuatan Ze telah terisi

penuh oleh elektron-elektron Z dan seolah-olah tidak terjadi interaksi satu dengan yang

lain. Kemudian dibuat koreksi untuk menghitung efek-efek interaksi yang terjadi. Efek

utama, yang menghasilkan pendekatan pertama terhadap tingkat-tingkat kulit,

memunculkan suatu keadaan bahwa secara rata-rata elektron bergerak independen di dalam

medan Coulomb inti.

Jika pendekatan yang sama digunakan untuk mengembangkan gambaran kulit inti,

potensial yang berbeda harus digunakan untuk merepresentasikan gaya-gaya inti. Salah

satu pendekatannya adalah dengan megasumsikan bahwa nukleon-nukleon bergerak di

dalam suatu rata-rata potensial osilator harmonik.

222

21

21 RmkRV ω== (3.4)

Setelah dihitung dengan mekanika kuantum, maka tingkat-tingkat energinya

diberikan oleh:

ω)23( +Ν=E (3.5)

26

Dengan lnN +−= )1(2 . Besaran l adalah bilangan kuantum momentum orbital dan

nilainya adalah 0, 1, 2, 3... serta berhubungan dengan vektor momentum anguler orbital

dalam bentuk biasa )1( += llI . Besaran n adalah bilangan bulat yang nilainya adalah

1, 2 ,3... namun, berbeda dengan solusi atom hidrogen, nilai l inti tidak dibatasi oleh n.

Keadaan momentum anguler orbital nukleon ditunjukkan dalam notasi

spektroskopik:

Nilai l 0 1 2 3 4 5 ...

Simbol huruf s p d f g h ...

Bila nilai n di depan simbol huruf, akan menunjukkan orde (terhadap kenaikan

energi) dari suatu keadaan l tertentu. Dengan demikian 2d adalah keadaan l = 2 setelah

keadaan yang paling rendah.

Untuk menghitung bilangan ajaib yang teramati, Mayer dan Jensen pada tahun 1949

secara independen memperlihatkan keberadaan interaksi spin-orbit (l.s) selain potensial

osilator harmonis. Karena nukleon memiliki nilai s = ½ yang tunggal untuk bilangan

kuantum spinnya, efek spin orbit akan menyebabkan setiap keadaan momentum anguler

orbital dengan l > 0 terbagi menjadi dua orbit, mengikuti apakah total bilangan kuantum

momentum anguler j adalah j = l + s atau j = l – s. Energi relatif untuk melakukan

pembagian diperoleh melalui pengevaluasian l.s:

[ ]

−=+

−

+==

+−+−+=

2/12

1

2/121

.

)1()1()1(21.

2

2

2

ljl

ljsl

sslljjsl

(3.6)

Pengurangan kedua ekspresi ini memperlihatkan bahwa pemisahan energi antar

kedua orbit sebanding dengan 2l +1 dan menjadi besar seiring dengan bertambahnya l.

Selanjutnya lambang 1d3/2 merupakan kombinasi bilangan-bilangan kuantum n = 1, l

= 2, j = l-s = 3/2.

Untuk inti, prinsip Pengecualian Pauli dinyatakan: tidak ada dua nukleon dapat

memiliki kumpulan bilangan kuantum yang sama (n, l, j, mj

). Ini berarti setiap orbit dapat

memuat maksimum 2j + 1 nukleon.

27

Gambar 3.2 Tingkat Energi Inti

126

82

50

28

20

8

2

Bila

ngan

aja

ib

Jum

lah

prot

on

& n

etro

n

Not

asi

2

2 4

2 6

4

4 2 6 10

6 2 4 8 12

8 4 2 6 10 14

1s1/2

1p3/2

1p1/2

1d5/2

2s1/2

1d3/2

1f7/2

2p3/2

2p1/2

1f5/2

1g9/2

2d5/2

3s1/2

2d3/2

2f7/2

3p3/2

3p1/2

2f5/2

1h9/2

1i13/2

1g7/2

1h11/2

28

Soal-soal:

1. Buktikanlah bahwa isobar yang paling stabil untuk A ganjil denagn model tetesan

cairan adalah 2015,0 3/2 +

=AAZ

2. Untuk A = 25, carilah inti yang paling stabil

3. Carilah momentum anguler keadaan dasar O158 dan K39

19

4. Tunjukkan bahwa orbit dari j tertentu mungkin berada pada nukleon-nukleon 2j + 1.

Tunjukkan bahwa kedaan p (l = 1), hasil ini konsisten dengan prinsip Pauli

memperbolehkan 2 (2l + 1) = 6 nukleon.

5. Berapakh nilai-nilai momentum anguler keadaan dasar yang mungkin untuk P3215

Biografi Singkat

JENSEN Johannes Hans Daniel Jensen adalah ahli fisika penemu teori struktur kulit inti atom dan

peraih Hadiah Nobel. Ia lahir di Hamburg, Jerman, pada 25 Juni 1907. Ia bekerja di Universitas Hamburg, lalu

pindah ke Institut Hannover dan akhirnya bekerja di Universitas Heidelberg. Menurut Jensen, inti atom mempunyai struktur seperti kulit elektron yang berlapis-lapis

dengan garis tengah yang berbeda-beda. Lapisan kulit itu ditempati proton dan netron dengan susunan menurut sifat-sifat proton dan netron.

Pada tahun yang sama (1949) di tempat yang berlainan Mayer, ahli fisika AS, menemukan teori yang sama di Universitas Chicago. Padahal mereka bekerja sendiri-sendiri. Pada tahun itu juga Jensen bersama Wigner mengajukan model kulit inti. Pada tahun 1955 Jensen, Mayer dan Wigner mendapat Nobel untuk fisika karena dapat menerangkan sifat-sifat inti atom secara terperinci.

29

IV. RADIOAKTIVITAS

4.1 KESTABILAN INTI

4.1.1 Kestabilan Inti

Hinga kini telah ditemukan sekitar 1500 inti, namun hanya ada kira-kira 400 inti

yang stabil.

Gambar 4.1. Garfik Kestabilan Inti

Perhatikan bahwa inti ringan (kira-kira sampai dengan Z = 20) sangat stabil, jika

intinya mengandung jumlah proton dan netron yang sama (N = Z atau N/Z = 1). Sebagai

contoh inti helium yang mengandung 2 proton dan 2 netron adalah sangat stabil.

Sub-pokok Bahasan Meliputi: • Kestabilan Inti • Peluruhan Inti

• Hukum-hukum dalam Peluruhan

Jumlah Proton

Jum

lah

Net

ron

0 20 40 60 80

20

40

60

80

100

120

N = Z

Garis Kestabilan

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Kestabilan Inti, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan konsep kestabilan inti dan memprediksi jenis pancaran radiasi • Menjelaskan radioaktivitas alam

30

Inti berat lebih stabil jika jumlah netron melebihi jumlah proton. Begitu jumlah

proton bertambah, gaya tolak Coulomb antara proton-proton bertambah sehingga

cenderung untuk memisahkan nukleon di dalam inti. Untuk mengikat nukleon-nukleon

tetap di dalam inti, maka gaya tolak Coulomb oleh proton-proton tambahan diimbangi oleh

gaya tarik-menarik antara netron-netron tambahan. Namun karena satu proton menolak

seluruh proton lainnya, sedang satu netron hanya menarik netron-netron tetangganya, maka

jelas penambahan netron penambahan netron harus lebih besar daripada penambahan

proton. Inti berat lebih stabil jika jumlah netron kira-kira sama dengan 1,6 kali jumlah

proton (N = 1,6 Z atau N/Z = 1,6).

Hanya saja pada saat Z > 83, gaya tolak antara proton-proton tidak dapat lagi

diimbangi dengan penambahan netron. Oleh karena itu, inti-inti yang mengandung lebih

dari 83 proton (Z > 83) tidak memiliki inti yang stabil.

Adalah menarik bahwa kebanyakan inti stabil memiliki nomor massa ganjil.

Beberapa fakta menunjukkan bahwa nilai-nilai tertentu dari Z dan N berhubungan dengan

inti-inti yang lebih stabil. Nilai-nilai Z dan N disebut angka-angka ajaib, yaitu:

Z dan N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126

Sebagai contoh, inti helium yang memiliki dua proton dan dua netron ( N = Z = 2)

adalah sangat stabil.

Inti ringan tidak stabil yang terletak di atas garis kesetabilan N = Z (N > Z) memiliki

kelebihan netron. Untuk mencapai kesetabilan, kelebihan netron harus diubah menjadi

proton melalui pemancaran sinar beta (elektron). Misal C146 memiliki Z = 6 proton dan N =

8 netron, akan menjadi stabil dengan memancarkan sinar beta: −+→ eNC 14

7146

Inti ringan yang terletak di bawah garis kestabilan (Z > N) memiliki kelebihan

proton. Untuk mencapai keadaan stabil, kelebihan proton diubah menjadi netron dengan

memancarkan positron (e+ C116, elektron positif). Misalnya inti akan stabil dengan

memancarkan beta positif (positron) ++→ eBC 11

5116

Inti berat (Z > 83) yang terletak di atas garis kestabilan memiliki kelebihan netron

dan proton. Untuk mencapai keadaan inti stabil, inti ini memancarkan partikel alfa

sehingga intinya kehilangan dua proton dan dua netron. Misalnya Ra22688 mencapai stabil

dengan memancarkan partikel alfa

31

HeRnRa 42

22286

22688 +→

4.1.2 Radioaktivitas Alam

Pada tahun 1896, Becquerel menemukan kristal uranium mengemisikan sinar yang

sama dengan sinar-X, yang mempunyai daya tembus tinggi, dapat menghitamkan plat

fotografi dan menyebabkan konduktivitas listrik pada gas. Penemuan Becquerel diikuti

oleh identifikasi 2 zat radioaktif lainnya, polonium dan radium oleh Piere dan Marie Currie

pada tahun 1898. Unsur berat seperti uranium atau thorium, dan unsur deret peluruhan tak

stabil mengemisikan radiasi secara alami. Uranium dan plutonium, sudah ada sejak awal

periode geologi, dan mempunyai kecepatan peluruhan yang sangat lambat. Semua nuklida

atau atom yang ada di alam dengan nomor atom lebih besar dari 82 bersifat radioaktif.

4.2 PELURUHAN RADIOAKTIF

4.2.1 Peluruhan Radioaktif

Aktivitas adalah laju peluruhan inti radioaktif. Semakin besar aktivitas, semakin

banyak inti yang meluruh per satuan waktu. Aktivitas tidak berhubungan dengan jenis

radiasi dan energi radiasi, namun hanya berhubungan dengan jumlah peluruhan per satuan

waktu tertentu.

Satuan aktivitas dalam SI adalah Becquerel (Bq). Satu Becquerel sama dengan satu

peluruhan per detik. Satuan ini terlalu kecil dan sebagai gantinya digunakan satuan Curie.

Semula, Curie didefinisikan sebagai aktivitas dari satu gram radium. Definisi ini kemudian

diubah dengan yang lebih memudahkan, yaitu:

1 Curie adalah satuan bilangan yang sangat besar, sehingga untuk kepentingan

praktis sering dipakai satuan milicurie (mCi) dan mikrocurie (μCi).

Satu cuplikan bahan radioaktif yang berorde beberapa gram, mengandung atom

dalam orde 1023 . Jika cuplikan ini memiliki aktivitas 1 Ci, maka akan ada sekitar 1010 inti

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Peluruhan Radioaktif, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan aktivitas peluruhan radioaktif • Menjelaskan dan menghitung waktu paro dan waktu hidup rata-rata • Menjelaskan deret radioaktif

1 Curie (Ci) = 3,7 x 1010 peluruhan / detik

32

yang meluruh setiap detiknya. Dapat juga dikatakan bahwa 1 inti atom sembarang

memiliki probabilitas (1010/1023) atau 10-13

NA λ=

untuk meluruh setiap detiknya. Besaran ini,

yaitu probabilitas peluruhan per inti per detik, disebut dengan tetapan peluruhan dan

dinyatakan dengan λ.

Dengan demikian, maka aktivitas adalah perkalian jumlah inti radioaktif dan

probabilitasnya untuk meluruh.

(4.1)

Ketika cuplikan inti meluruh, jumlah inti yang radioaktif berkurang, maka aktivitas

juga semakin kecil. Jadi, jumlah peluruhan per detik semakin lama semakin sedikit.

Dapat dikatakan bahwa aktivitas A, pada hakikatnya adalah perubahan jumlah

(pengurangan) inti radioaktif yang meluruh setiap satuan waktu.

dtdNA −= (4.2)

dN/dt bernilai negatif, karena N menurun dengan bertambahnya waktu. Dari

persamaan 4.1 dan 4.2 diatas diperoleh:

NdtdN λ−= (4.3)

Atau

dtN

dN λ−= (4.4)

Persamaan ini dapat langsung diintegrasikan, dengan hasil

ctN +−= λln (4.5)

c adalah tetapan integrasi. Hasil ini dapat dituliskan kembali menjadi cteN +−= λ (4.6)

Atau teNN λ−= 0 (4.7)

Di sini ec

teAA λ−= 0

telah diganti dengan No. Pada saat t = 0, N = No. Jadi No adalah jumlah

inti radioaktif mula-mula. Persamaan 4.7 dinamakan dengan hukum peluruhan radioaktif

eksponensial.

Pada kenyataannya kita tidapat mengukur N, sehingga diperlukan persamaan yang

lebih bermanfaat, yaitu dengan mengalikan kedua belah ruas dengan λ, yang memberikan

persamaan

(4.8)

33

Ao adalah aktivitas mula-mula.

Jika dalam suatu cuplikan bahan radioaktif dihitung aktivitasnya, kemudian beberapa

waktu kemudian dihitung lagi aktivitasnya dan seterusnya, maka didapatkan grafik.

Gambar 4.2 Garfik Peluruhan Radioaktif

4.2.2 Waktu Paro

Setiap zat radioaktif juga memiliki waktu paro (t1/2), yaitu waktu yang diperlukan zat

radioaktif untuk meluruh sehingga tinggal setengah dari jumlah semula. Semakin pendek

waktu paro zat radioaktif, maka semakin cepat zat tersebut meluruh sehingga

kemampuannya memancarkan radiasi berkurang dengan cepat.

Ketika zat radioaktif tinggal setengahnya t = t

021 NN =

1/2

(4.9)

Bila N dari persamaan 4.7 disubstitusi, maka didapatkan:

2/1002

1 teNN λ−=

2/1693,0 tλ−=

λ693,0

2/1 =t (4.10)

Contoh

Tentukan waktu paro zat radioaktif yang memiliki konstanta peluruhan 0,01/hari

Jawab

hariharit 3,69)(01,0/693,0 12/1 == −

4.2.3 Waktu Hidup Rata-rata

Inti bahan radioaktif bisa melakukan peluruhan kapan saja, mulai dari t = 0 sampai t

= ~ setelah pengamatan. Untuk beberapa tujuan tertentu, kadang lebih mudah digunakan

A

t

Ao

34

waktu hidup rata-rata zat radioaktif tersebut. Waktu hidup rata-rata didefinisikan sebagai

jumlah waktu hidup dari setiap inti, dibagi dengan total zat radioaktif yang ada.

Laju peluruhan inti radioaktif yang mengandung N inti adalah λN. Dalam interval

waktu antara t dan t + dt, jumlah total inti yang melakukan peluruhan λN dt. Sehingga

waktu hidup semua inti adalah tλN dt. Waktu hidup rata-rata dari tiap-tiap inti τ adalah:

∫=~

00

1 NdttN

λτ (4.11)

Dengan mensubsitusikan nilai N dari persamaan 4.7, diperoleh:

λλτ λ 11 ~

00

0

== ∫ − dteNtN

t (4.12)

Karena 2/1/693,0 t=λ , maka

2/145,1 t=τ (4.13)

Contoh

Berapa waktu hidup rata-rata inti radioisotop dengan konstanta peluruhan 0,25/jam

Jawab

jamjamxjamjamt

02,477,245,177,225,0/693,02/1

====

τ

4.2.3 Deret Radioaktif

Inti radioaktif tidak selalu meluruh dan menghasilkan inti anak yang stabil.

Seringkali inti anak juga tidak stabil, sehingga terjadi peluruhan berikutnya yang juga

belum tentu stabil. Setelah beberapa kali meluruh, akan terbentuk inti yang benar-benar

stabil. Tahapan-tahapan peluruhan tersebut akan mengikuti suatu urutan yang disebut deret

radioaktif. Peluruhan yang demikian disebut peluruhan berantai.

Dalam proses peluruhan radioaktif, nomor massa A inti induk akan berubah dengan 4

satuan (peluruhan alfa) atau A tidak berubah (peluruhan beta). Karena itu nomor massa A

dari isotop-isotop anggota peluruhan berantai, pasti meluruh dengan kelipatan 4. Dengan

demikian ada empat deret yang mungkin dengan nomor massa A, yang dapat dinyatakan

dengan rumus 4n, 4n + 1, 4n + 2, 4n +3, dengan n adalah bilangan bulat.

Masing-masing deret radioaktif diberi nama dengan inti induknya. Deret radioaktif

4n + 2 diberi nama deret uranium. Deret radioaktif 4n + 3 diberi nama deret aktinium.

Deret 4n diberi nama deret deret Thorium dan deret 4n + 1 diberi nama deret Neptunium.

35

Tabel. 4.1 Empat Deret Radioaktif

Deret Inti induk Waktu paro

(tahun)

Rumus deret Inti stabil akhir

Thorium

Neptunium

Uranium

Aktinium

Th23290

Np23793

U23892

U23592

1,41 x 1010

2,14 x 106

4,47 x 109

7,14 x 10

4n

4n + 1

4n + 2

4n +3 8

Pb20882

Bi20983

Pb20682

Pb20782

Tiap deret mempunyai deretan yang cukup panjang sampai akhirnya menjadi inti

stabil. Berikut ini adalah tabel delapan isotop dari deret uranium

Tabel 4.2. Delapan Pertama Deret Uranium

Unsur Inti Waktu paro Radiasi Energi α dan β (MeV)

Uranium

Thorium

Protactinium

Uranium

Thorium

Radium

Radon

Polonium

U23892

Th23490

Pa23491

U234

92 Th230

90 Ra226

88 Rn222

86 Po218

84

4,5 x 109 thn

24,1 hari

6,75 jam

2,47 x 105 thn

8,0 x 104 thn

1620 thn

3,82 hari

3,05 menit

γα

γβ

α γ γα

γα

γα

α

α

4,2

0,19

2,3

4,77

4,68

4,78

5,49

6,0

4.3 HUKUM-HUKUM DALAM PELURUHAN

4.3.1 Hukum Kekalan Massa-Energi

Seandainya inti awal adalah X meluruh menjadi Y, dengan memancarkan partikel b,

maka:

Qcmmcm bYX ++= 22 )(

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Hukum-hukum dalam Peluruhan, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan hukum kekekalan massa-energi dalam peluruhan radioaktif • Menjelaskan hukum kekekalan momentum linier dan sudutdalam peluruhan

radioaktif • Menjelaskan hukum kekekalan muatan elektrik dan nomor massa

36

2)( cmmmQ bYX −−= (4.14)

Jelas, bahwa peluruhan ini terjadi jika nilai Q (energi) positif. Kelebihan energi Q ini

muncul sebagai energi kinetik partikel-partikel hasil peluruhan:

bY KKQ += (4.15)

4.3.2 Hukum Kekekalan Momentum Linier

Jika inti yang meluruh pada awalnya diam, maka momentum total semua partikel

hasil peluruhannya haru nol:

0=+ bY pp (4.16)

Biasanya, massa partikel yang dipancarakan b, lebih kecil dibanding massa inti sisa

Y, sehingga momentum pental pY menghasilkan energi kinetik KY

4.3.3 Hukum Kekekalan Momentum Sudut

yang kecil.

Ada dua jenis momentum sudut, yaitu momentum sudut spin s dan momentum sudut

gerak atau orbital l. Dalam kerangka diamdari inti X, momentum sudut total sebelum

peluruhan adalah sX

bYbYX llsss +++=

. Setelah peluruhan, terdapat spin inti Y dan partikel-partikel b. Juga

ada momentum sudut l = r x p dari b dan Y, yang bergerak relatif terhadap titik dalam

ruang yang semula ditempati inti X. Dengan demikian berlaku:

(4.17)

4.3.4 Hukum Kekekalan Muatan Elektrik

Hukum ini merupakan bagian mendasar dalam seluruh proses peluruhan. Hukum ini

menyatakan bahwa muatan elektrik sebelum dan sesudah peluruhan harus sama besar.

4.3.5 Hukum Kekealan Nomor Massa.

Hukum ini menyatakan bahwa total nomor massa sebelum reaksi harus sama dengan

nomor massa sesudah reaksi.

Soal-soal:

1. Sampel suatu unsur radioaktif memiliki aktivitas 9 x 1012 Bq. Waktu paro unsur

tersebut 80 s. Berapa waktu yang diperlukan agar aktivitasnya tinggal 2 x 1012

2. Berapa aktivitas satu gram

Bq.

Ra22688 yang memiliki waktu paro 1622 tahun.

3. Berapa waktu yang diperlukan oleh bahan radioaktif yang berwaktu paro 2 hari, agar

63/64 bagiannya melakukan peluruhan.

37

4. Co60 yang waktu apro-nya 5 tahun sering digunakan sebagai sumber radiasi dalam

bidang kedokteran. Setelah berapa lama sejak cuplikan kobalt baru diterima dari

pesanan, aktivitasnya akan berkurang hingga tinggal 1/8 aktivitas semula.

5. Zat radioaktif a (dengan konstanta peluruhan aλ ) meluruh menjadi b yang juga

radioaktif (dengan konstanta peluruhan bλ ). Buktikan bahwa jumlah zat b yang tersisa

setelah t adalah )(00

tt

ab

aatbb

bab eeN

eNN λλλ

λλλ −−− −−

+= .

Biografi Singkat

Biografi

BECQUEREL Antonie Henri Becquerel adalah ahli fisika dan sekretaris Academie des Sciences. Pada

tahun 1896 ia menemukan radioaktivitas. Kemudian Pierre Curie dan Marie Curie mempelajari radioaktivitas lebih lanjut. Pada tahun 1903 Becquerel, Pierre Curie dan Marie Curie, mendapat Hadiah Nobel untuk fisika.

Becquerel lahir pada 15 Desember 1852 di Paris dan meninggal pada 25 Agustus 1908 di Le Croisic.

Ayah dan kakeknya juga ahli fisika. Nama ayahnya Alexandre Edmond Becquerel dan nama kakeknya Antonie Cesar Becquerel.

Pada umur 20 tahun ia kuliah di Ecole Polytechnique. Tiga tahun kemudian ia diangkat jadi dosen pada Perguruan Tinggi tersebut. Pada umur 26 tahun ia jadi guru besar di Musee d’Histoire Naturelle, menggantikan ayah dan kakeknya. Pada umur 36 tahun ia mendapat gelar doktor. Tahun berikutnya ia diterima sebagai anggota Academie des Sciences. Pada umur 43 tahun ia diangkat menjadi guru besar di Ecole Polytechnique.

Pada saat Rontgen menemukan sinar-X, Becquerel sangat tertarik dengan penemuan tersebut. Sinar-X berasal dari tempat yang berpendar di dalam tabung sinar katoda. Becquerel lalu berpikir apakah tidak ada benda lain yang juga memancarkan sinar yang sangat kuat daya tembusnya.

Dalam percobaan yang dilakukan, sebenarnya Becquerel sedang mempelajari gejala fluoresens dan fosforesens (yang disebabkan sinar-X). Fluoresens adalah gejala dimana suatu benda dapat memancarkan cahaya yang berbeda ketika menerima cahaya dari luar. Fosforesens adalah gejala dimana suatu benda dapat memancarkan cahaya beberapa selang waktu kemudian setelah benda itu menerima cahaya dari luar, seperti pada jarum penunjuk arloji yang bersinar pada malam hari.

Dalam penyelidikannya secara tidak sengaja, ia menemukan bahwa senyawa uranium dapat memancarkan radiasi yang daya tembusnya sangat kuat, seperti sinar-X.

Mula-mula ia menduga bahan ini menyimpan energi matahari yang diperoleh sebelumnya. Kemudian ia menempatkan bijih uranium dalam kotak timah yang tertutup rapat dan menyimpannya beberapa bulan. Ternyata, meskipun sudah tertutup rapat, bahan uranium tersebut tetap menunjukkan keaktifan radiasi, yakni dapat menghitamkan film..

Becquerel menceritakan gejala ini kepada Marie Curie. Marie Curie menamakan gejala itu dengan radioaktivitas dan sinar yang berasal dari bijih uranium itu dinamakan sinar-Becquerel. Jadi, radioaktivitas pertama kali ditemukan oleh dia

38

SEABORG (Penemu Deret Radioaktif)

Glenn Theodore Seaborg adalah ahli kimia nuklir, pemenang Hadiah Nobel, dan bersama ilmuan lain menemukan plutonium, amerisium, kurium, berkelium, kalifornium, einsteinium, fermium, mendelevium, dan nobelium. Ia menemukan metode pemisahan kimia untuk membuat plutonium. Ia menemukan deretan radioaktif dan konsep aktinida mengenai kedudukan unsur-unsur berat dalam daftar periodik.

Seaborg lahir di Michigan, AS, pada 19 April 1912, keturunan imigran dari Swedia. Ia tamat SMA pada umur 17 tahun dan melanjutkan ke Universitas California. Mula-mula ia tertarik pada sastra. Tapi pada tahun ke-3 kuliah ia pindah jurusan. Ia menambil jurusan kimia dan fisika karena pengaruh seorang dosen yang pandai mengajar. Ia lulus pada umur 22 tahun dan mendapat gelar doktor pada umur 25 tahun.

Pada umur 27 tahun ia diangkat jadi instruktur di Berkeley. Di siklotron Ernest Lawrence ia menembaki unsur-unsur biasa dan menemukan banyak isotop penting yang dikemudian dipakai secara luas dalam bidang pengobatan dan industri.

Pada tahun 1941 Seaborg bersama Edwin M. McMillan, Joseph W. Kennedy dan Arthur C. Wahl menemukan plutonium, unsur transuranium terpenting yang dipakai untuk bahan bakar di reaktor-reaktor nuklir dan sebagai bahan yang aktif dalam senjata nuklir. Pada tahun 1951 bersama Edwin M. McMillan ia mendapat Hadian Nobel karena menemukan unsur transuranium.

Pada tahun 1958 ia diangkat menjadi rektor Universitas Berkeley. Pada tahun 1961 menjadi kepala Komisi Energi Atom AS. Pada tahun 1971 ia menjabat sebagai direktur Laboratorium Berkeley Lawrence.

CURIE Marie Sklodowska Curie adalah ahli fisika dan kimia. Marie Curie adalah orang

pertama yang mendapat dua kali Hadiah Nobel, yang pertama untuk fisika dan yang kedua untuk kimia.

Bersama suaminya Piere Curie dan Becquerel pada tahun 1903 Marie Curie mendapat Hadiah Nobel untuk fisika karena menemukan radioaktivitas. Pada tahun 1911 Marie Curie menadapat Hadiah Nobel Kimia karena menemukan polonium, radium dan mengisolasi radium.

Marie Curie lahir di Warsama, Polandia pada 7 November 1867 dan meninggal di Savoy, Prancis pada 4 Juli 1934 karena menderita sakit kanker darah, akibat terlalu banyak terkena sinar radioaktif ketika menyelidiki radium.

Sejak kecil ia adalah orang yang cerdas. Pada umur 15 tahun ia lulus Sekolah Menengah dengan nilai tertinggi. Tapi malang, orang tuanya miskin. Pada umur 17 tahun terpaksa mencari nafkah dengan menjadi guru privat. Pada saat itu Marie Curie ingin kuliah, tapi kebijakan di Polandia, gadis dilarang masuk Perguruan Tinggi.

Oleh karena itu, ia menabung dan setelah tabungannya cukup ia pindah ke Paris dan kuliah di Sorbonne, bagian dari Universitas Paris.

Pada tahun 1896 ia bertemu Pierre Curie. Tahun berikutnya ia melangsungkan pernikahan. Ia dikaruniai anak Irene dan Eve. Irene juga mendapat hadiah Nobel untuk kimia 1935 karena membuat unsur baru yang radioaktif. Eve terkenal karena menulis riwayat hidup ibunya.

39

V. PELURUHAN ALFA 5.1 PELURUHAN ALFA

5.1.1 Peluruhan Alfa

Peluruhan alfa adalah emisi partikel alfa (inti helium) yang dapat dituliskan sebagai 42 He atau 4

2 α. Ketika sebuah inti tak stabil mengeluarkan sebuah partikel alfa, nomor atom

berkurang dua dan nomor massa berkurang empat. Peluruhan alfa dapat ditulis:

α42

42 +→ −

− YX AZ

AZ

Sebagai contoh U234 meluruh dan mengeluarkan sebuah partikel alfa

α+→ ThU 23090

23492

5.1.2 Energi Peluruhan Alfa

Dalam peluruhan dibebaskan energi, karena inti hasil peluruhan terikat lebih erat dari

pada inti semula. Energi yang dibebaskan muncul sebagai energi kinetik partikel alfa

αK dan energi kinetik inti anak (inti hasil) YK , yang dapat dihitung dengan persamaan:

2)( cmmmQ YX α−−= (5.1)

Karena energi yang dilepas muncul sebagai energi kinetik, maka:

αKKQ Y += (5.2)

Dengan asumsi kita memilih kerangka acauan laboratorium (dijelaskan pada reaksi

inti). Selanjutnya, kita dapat menghitung energi kinetik alfa dengan persamaan:

QA

AK 4−≅α (5.3)

Sub-pokok Bahasan Meliputi: • Peluruhan Partikel Alfa

• Karakteristik Partikel Alfa

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Peluruhan Alfa, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan konsep peluruhan alfa • Menjelaskan dan menghitung energi pada peluruhan alfa • Menjelaskan teori mekanika kuantum pada peluruhan alfa

40

5.1.3 Teori Peluruhan Alfa

Peluruhan alfa merupakan salah satu peristiwa efek trobosan (tunneling effect),

seperti dibahas dalam mekanika kuantum.

Diasumsikan dua netron dan dua proton yang berada dalam inti membentuk partikel

alfa. Dua proton dan dua netron ini bergerak terus di dalam inti, yang kadang-kadang

bergabung dan terkadang berpisah. Di dalam inti partikel alfa terikat oleh gaya inti yang

sangat kuat. Tetapi jika partikel alfa inti bergerak lebih jauh dari jari-jari inti ia akan segera

merasakan tolakan gaya Coulomb.

Gambar 5.1 Potensial Inti dan Proses Efek Trobosan Oleh Partikel Alfa

Tinggi potensial halang dalam inti berat sekitar 30 MeV sampai 40 MeV, sementara

partikel alfa hanya memiliki energi sekitar 4 sampai 8 MeV. Jadi, secara klasik partikel

alfa tidak akan mengkin menerobos potensial Coulomb yang begitu besar.

Namun, dalam mekanika kuantum, penerobosan seperti itu diijinkan. Terdapat

peluang partikel alfa untuk menerobos “dinding yang begitu tebal dan kuat”

Probabilitas persatuan waktu λ .bagi partikel alfa untuk muncul adalah probabilitas

menerobos potensial halang dikalikan banyaknya partikel alfa menumbuk penghalang per

detik dalam usahanya untuk keluar. Jika partkel alfa bergerak dengan laju ν di dalam

sebuah inti berjari-jari R, maka selang waktu yang dibutuhkan untuk menumbuk

penghalang bolak-balik dalam inti sebesar ν/2R . Inti berat nilai R sekitar 6 fm, maka

partikel alfa menumbuk dinding inti berat sebesar 1022 kali per detik.

Taksiran kasar probabiltas peluruhan alfa, berdasarkan mekanika kuantum adalah

Energi

x R

Eα Partikel α

41

)(

2RRke

Rv −′−=λ (5.4)

Dengan 2/))(/2( 2αKVmk B −= , VB

ReZVB 02 4/)2(2 πε−=

merupakan tinggi maksimum penghalang

atau merupakan energi Coulomb partikel alfa pada permukaan inti atom, yang besarnya

, dan απε KezR 02 4/)2(2 −=′ . Jika persamaan diatas dihitung,

maka akan didapatkan nilai antara 105 /s hingga 10-21/s, lumayan sama dengan hasil

eksperimen.

Berdasarkan data eksperimen, usia paro peluruhan alfa ada ketergantungan dengan

energi artikel alfa. Semakin besar energi partikel alfa, waktu paro nya semakin cepat dan

sebaliknya. Dikusikanlah masalah ini!

Tabel 5.1 Hubungan Energi Kinatik Alfa Dengan Waktu Paro

Isotop αK (MeV) 2/1t λ (1/s)

Th232 4,01 1,4 x 1010 1,6 x 10 thn -18

U238 4,19 4,5 x 109 4,9 x 10 thn -18

Th230 4,69 8,0 x 104 2,8 x 10 thn -13

Pu238 5,50 88 thn 2,5 x 10-10

U230 5,89 20,8 hari 3,9 x 10-7

Rn220 6,29 56 s 1,2 x 10-2

Ac222 7,01 5 s 0,14

Rn216 8,05 45 sµ 1,5 x 104

Po212 8,78 0,3 sµ 2,3 x 106

5.2 KARAKTERISTIK PARTIKEL ALFA

5.2.1 Daya Jangkau Partikel Alfa

Berdasarkan hasil eksperimen diketahui bahwa kecepatan gerak partikel alfa berkisar

antara 0,054 c hingga 0,07 c. Karena massa partikel alfa cukup besar, yaitu 4 u, maka

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Karakteristik Partikel Alfa, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan dan menghitung daya jangkau partikel alfa di udara dan di bahan • Menjelaskan dan menghitung daya ionisasi partikel alfa

42

jangkauan partikel alfa sangat pendek.partikel alfa dengan energi paling tinggi,

jangkauannya di udara hanya beberapa cm. Sedangkan dalam bahan hanya beberapa

mikron.

Partikel alfa yang dipancarkan oleh sumber radioaktif memiliki energi tunggal

(mono-energetic). Bertambah tebalnya bahan hanya akan mengurangi energi partikel alfa

yang melintas, tetapi tidak megurangi jumlah partikel alfa itu sendiri.

Pengujian jejak partikel alfa dengan kamar kabut Wilson, menunjukkan bahwa sebagian

besar partikel alfa memiliki jangkauan yang sama di dalam gas dan bergerak dengan jejak

lurus.

Jangkauan partikel alfa biasanya diukur di udara pada suhu 0 C dan tekanan 70

mmHg dan dapat didekati dengan persamaan sebagai berikut.

MeVEMeVExcmdMeVEMeVExcmd

8462,2)(24,1)(4)(56,0)(

<<−=<=

(5.5)

Sedangkan jangkauannya dalam medium (dm

dAx

dm

mm ρ

4102,3 −

=

) selain udara didefinisikan dengan

pendekatan persamaan Bragg-Kleeman sebagai berikut:

(5.6)

dengan ...

...

2211

2211

++

++=

AnAnAnAnAm

mρ adalah massa jenis medium (gr/cm3)

Ni fraksi atom dari unsur i

Ai berat atom unsur i

Contoh

Berapak jangkauan partikel alfa dengan energi 4,195 MeV di dalam molekul UO2 dengan

masaa jenis 10,9 gr/cm3. Diketahui massa atom U dan O masing-masing 238 dan 16

Jawab

Molekul UO2

52,1116)3/2(238)3/1(

)16)(3/2()238)(3/1(2

=++

=UOA

terdiri atas 3 atom (1 U dan 2 O), sehingga fraksi atom untuk U, n =1/3 dan

untuk O, n = 2/3

Jangkauan partikel alfa di udara d = 1,24 x 4,195 – 2,62 = 2,58 cm

43

Maka jangkau partikel alfa di dalam molekul UO

cmxxdUO4

4

1073,89,10

)52,11(102,32

−−

==

2

5.2.2 Daya Ionisasi

Mekanisme utama hilangnya energi partikel alfa adalah melalui ionisasi dan eksitasi.

Dalam udara partikel alfa rata-rata kehilangan energi sebesar 3,5 eV untuk menghasilkan

pasangan ion (p, e). Sementara eksitasi terjadi ketika energi yang ditransfer ke elektron

atom medium, tidak cukup untuk melepaskan elektron dari pengaruh ikatan inti.

Partikel alfa bergerak cukup pelan karena massanya yang relatif besar. Karena

muatannya juga besar (2e), maka ionisasi spesifik sangat tinggi. Ionisasi sepisifik adalah

banyaknya pasangan ion yang terbentuk per satuan panjang lintasan. Pasangan ion yang

terbentuk dalam orde puluhan ribu paangan ion per centimeter lintasan di udara.

Ionisasi spesifik (Is

)/(.)(

cmionpasangandW

KcmjangkaunionPasangan

I sα

α== ∑

) dirumuskan:

(5.7)

αK adalah energi partikel alfa (eV) dan W adalah energi yang diperlukan untuk

membentuk 1 pasang ion di udara, 35 eV/pasang

Gambar 5.2 Kurva Bragg untuk Ionisasi Spesifik Partikel Alfa di Udara

Energi partikel alfa (MeV)

Pasa

ngan

ion

per m

m-u

dara

2 6 10

4.000

8.000

44

Contoh

Berapa jumlah pasangan ion per cm di udara yang dihasilkan oleh partikel alfa dengan

energi 4,5 MeV

Jawab

Jangkaun alfa di udara d = 1,24 x 4,5 – 2,62 = 2,96 cm

Jumlah pasngan ion per cm

cmionpasangcmxeV

eVxI s /436.4396,235

105,4 6

==

Soal-soal:

1. Hitunglah energi yang dilepas pada peluruhan alfa dari U234 . Diketahui massa U234

dan massa Th230 adalah 234,040947u dan 230,033131u

2. Hitunglah energi kinetik partikel alfa yang dipancarkan dari .226 Ra Diketahui massa

.226 Ra dan Rn222 adalah 222,025406u dan 222,017574u.

3. Pt19078 memancarkan partikel alfa dengan energi 3,16 MeV. Tentukan jangkaun partikel

alfa tersebut di dalam air (H2O) jika diketahui ρair 1 gr/cm3

Pu23994

, massa atom H = 1 dan O

= 16.

4. memancarkan partikel alfa dengan energi 5,15 MeV. Tentukan ionisasi spesifik

partikel alfa di dalam gas Xenon, jika untuk pembentukan 1 pasang ion gas Xenon

diperlukan energi 22 eV.

5. Buktikan bahwa energi kinetik alfa adalah: QA

AK 4−≅α

45

VI. PELURUHAN BETA

6.1 PELURUHAN BETA

6.1.1 Peluruhan Beta

Dalam peluruhan beta, sebuah proton berubah menjadi inti atau sebaliknya. Jadi Z

dan N masing-masinng berubah satu satuan, tetapi A tidak berubah.

Pada peluruhan beta, yang paling utama adalah sebuah netron meluruh menjadi sebuah

proton dan sebuah elektron epn +→

Ketika proses peluruhan ini pertama kali dipelajari, partikel yang dipancarkan disebut

partikel beta, kemudian baru diketahui bahwa partikel itu adalah elektron.

Elektron yang dipancarkan pada peluruhan beta bukanlah elektron kulit atom dan

juga bukan elektron yang semula berada dalam inti. Tetapi elektron ini diciptakan oleh inti

dari energi yang ada. Jika ada beda energi diam sekurang-kurangnya 2cme , maka

penciptaan elektron sangat mungkin terjadi.

6.1.2 Hipotesis Neutrino

Dari eksperimen yang telah dilakukan berkaitan dengan peluruhan beta ini, yaitu:

1. Spin intrinsik proto, netron dan elektron masing-masing bernilai ½. Jika terjadi

peluruhan netron (spin ½), gabungan spin proton dan elektron hasil peluruhan bisa

sejajar (spin total = 1) atau berlawanan (spin total 0), dan tidak ada kemungkinan

Sub-pokok Bahasan Meliputi: • Peluruhan Beta

• Karakteristik Sinar Beta

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Peluruhan Beta, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan konsep peluruhan beta negatif dan beta positif dan hakikat partikel beta

• Menjelaskan hipotesis neutrino dan anti-neutrino • Menjelaskan proses tangkapan elektron oleh inti • Menjelaskan dan menghitung energi dalam proses peluruhan beta

46

spin totalnya ½. Oleh karena itu, proses peluruhan ini tampaknya melanggar hukum

kekekalan momentum sudut

2. Persoalan energi beta. Dari pengukuran elektron yang dipancarkan didapatkan

bahwa spektrum energinya kontinyu dari 0 hingga nilai maksimum Ke(max)

MeVcmmmQ epn 782,0)( 2 =−−=

. Menurut

perhitungan dalam peluruhan netron, nilai .

Persoalan distribusi energi yang kontinyu ini (karena adanya beberapa energi yang

hilang), dicoba dipecahkan oleh para fisikawan eksperimen sebelum tahun 1930, tapi

semuanya tidak berhasil.

Gambar 6.1. Grafik Distribusi Energi Partikel Beta

Pemecahan terhadap fenomena yang tampak melanggar hukum kekekalan

momentum sudut dan energi ini ditemukan oleh Wolfgang Pauli. Ia mengusulkan bahwa

ada partikel ketiga yang dipancarkan pada peluruhan beta ini. Partikel ketiga ini bermuatan

elektrik nol dan memiliki spin ½. Hilangnya energi ini tidak lain adalah energi yang

diambil partikel ini.

Partikel ini disebut neutrino (yang dalam bahasa Italia berarti netral kecil) dan diberi

lambang ν . Neutrino ini memiliki massa diam nol. Neutrino ini juga memiliki anti partikel

yang dinamakan antineutrino ν . Pada kenyataannya yang dipancarkan dalam peluruhan

beta adalah antineutrino. Dengan demikian proses peluruhan beta secara lengkap adalah:

ν++→ −epn

Energi reaksi ini muncul sebagai energi kinetik elektron, energi antineutrino dan

energi pental proton.

Proses peluruhan beta lainnya adalah peluruhan proton, yang reaksinya

ν++→ +enp

Energi kinetik elektron

Jum

lah

elek

tron

Ke (max)

47

+e adalah elektron positif atau positron yang merupakan antipartikel dari elektron.

Positron memiliki massa sama dengan elektron, tetapi memiliki muatan elektrik yang

berlawanan. Apabila positron bertemu dengan elektron, keduanya akan bergabung dan

musnah. Proses ini dinamakan annihilasi. Energi keduanya berubah menjadi gelombang

elektromagnetik.

Gambar 6.2. Grafik Distribusi Energi Positron

6.1.3 Tangkapan Elektron

Salah satu proses peluruhan inti adalah tangkapan elektron (Electron capture, EC).

Proses reaksinya adalah

ν+→+ − nep

Di sini sebuah proton menagkap elektron dariorbitnya beralih menjadi sebuah netron

ditambah sebuah neutrino. Elektron yang ditangkap ini adalah elektron terdalam sebuah

atom, dan proses ini dicirikan dengan kulit asal elektronnya: tangkapan kulit K, kulit L,

dan seterusnya. Tangkapan elektron ini tidak terjadi pada proton bebas, tetapi hanya proton

yang ada di dalam inti.

6.1.4 Energi Peluruhan.

Peluruhan beta terjadi pada sebuah inti atom. Pada saat pemancaran −e , sebuah inti

atom dengan Z proton dan N netron meluruh ke inti atom lain dengan Z + 1 proton dan N –

1 netron.

ν++→ −−+ eYX N

AZN

AZ 11

Nilai Q dari peluruhan ini, dihitung dengan mengurangi massa-massa elektron (Zme)

Energi kinetik positron

Jum

lah

pos

itron

Ke (max)

48

2

222

)(

))1(()(

cmmQQcmcmZmcZmm

YX

eeYeX

−=

+++−=− (6.1)

Massa elektron saling menghapuskan dalam perhitungan Q. Energi yang dilepas

dalam peluruhan ini sebagai energi kinetik antineutrino, energi kinetik elektron dan

sejumlah kecil energi kinetik inti. Elektron memiliki energi kinetik maksimum jika energi

antineutrino hampir nol.

Sedangkan dalam pemancaran +e , proton inti berubah menjadi netron. Reaksinya

dapat digambarkan

ν++→ ++− eYX N

AZN

AZ 11

Nilai Q pada proses ini

2

222

)2(

))1(()(

cmmmQQcmcmZmcZmm

eYX

eeYeX

−−=

++−−=− (6.2)

Sedang untuk tangkapan elektron, reaksinya

ν+→+ +−−

11 NA

ZNAZ YeX

Dan nilai Q-nya

2

222

)(

))1(()(

cmmQQcmZmcmcZmm

YX

eYeeX

−=

+−−=+− (6.3)

Contoh

Berapakah energi maksimum elektron yang teremisi dari peluruhan −e di dalam H

Jawab

Reaksi peluruhan

veHeH ++→ −32

31

MeVuMeVxuucmmQ HeH 0186,0/5,931)016030,3016050,3()( 2 =−=−=

Energi kinetik inti He bisa diabaikan karena terlalu kecil sehingga Ke terjadi pada saat Kv

= 0, maka Ke

= 0,0186 MeV

6.2 KARAKTERISTIK PARTIKEL BETA

TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Karakteristik Partikel Beta, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan dan menghitung daya jangkau partikel beta di udara dan di bahan • Mejelaskan dan menghitung daya ionisasi partikel beta

49

6.2.1 Daya Jangkau Sinar Beta

Sinar beta, baik elektron atau positron, keduanya termasuk kelompok partikel ringan

bermuatan. Besar massa diam dan muatan elektriknya juga sama, hanya tandanya saja yang

berlawanan. Kecepatan gerak di udara antara 0,32 c sampai 0,7 c. Jejak partikel beta ini

berbelok-belok karena elektron ini mengalami hamburan di dalam bahan.

Energi rata-rata elektron ini (1/3) Kmax, sedangkan untuk positron 0,4 Kmax.

Panjang jangkaun partikel ini di medium dinyatakan dalam cm, namun kadang-

kadang juga dinyatakan dalam bentuk ketebalan densitas (density thickness, dt) dengan

satuan massa per satuan luas (mg/cm2

)/()()/( 32 cmmgxcmdcmmgdt ρ=

) untuk menggantikan jarak atau ketebalan (d).

(6.4)

ρ adalah massa jenis medium.

Dengan sistem satuan ini, jangkauan partikel di dalam medium tidak lagi

memperhatikan jenis bahan medium.

Perumusan matematis yang menunjukkan hubungan antara jangkauan dt dan energi

maksimum Km

MeVKuntukKcmmgdMeVKuntukKcmmgd

mmt

mK

mtm

5,2106530)/(

5,201,0412)/(2

)ln(0954,0265,12

>−=

≤≤= −

(MeV) adalah sebagai berikut:

(6.5)

Contoh

Berapakah jangkauan linier partikel beta (dalam cm) dengan energi maksimum 2,86 MeV

yang dipancarkan dari inti Mn5625 yang melewati aluminum.

Jawab

cmcmgrcmgd

d

cmgcmmgxd

Al

t

t

52,0/7,2/41,1

/41,1/14106,1086,2530

3

2

22

===

==−=

ρ

6.2.2 Daya Ionisasi Partikel Beta

Mekanisme hilangnya partikel beta sama dengan mekanisme pada partikel alfa, yaitu

diserap bahan yang dilewati untuk proses ionisasi dan eksistasi.

Partikel beta akan kehilangan energi 3,4 eV setiap pembentukan satu pasang ion.

Namun karena partikel beta lebih kecil (sekitar 1/7300 dari massa partikel alfa) dan muatan

yang lebih rendah (1/2 dari partikel alfa), maka konsekuensinya partikel beta dalam

sepanjang jejaknya tidak memproduksi pasangan ion per cm sebanyak yang dibentuk

50

partikel alfa. Partikel beta dengan energi 3 MeV mempunyai jangkaun di udara lebih dari

1.000 cm namun hanya mampu menghasilkan beberapa pasangan ion per mm sepanjang

jejaknya.

Ionisasi spesifik (Is) partikel beta di udara bervariasi dari 60 sampai 7.000 pasangan

ion per cm. Ionisasi spesifik bernilai besar untuk partikel beta berenergi rendah,

selanjutnya berkurang secara cepat untuk energi yang makin besar, hingga mencapai

minimum pada energi sekitar 1 MeV. Ionisasi spesifik ini berlahan-lahan naik untuk energi

lebih besar dari 1 MeV.

Persamaan ionisasi spesifik ditulis:

WdxdKI s

/=

1. Tentukan energi minimum suatu antineutrino yang menghasilkan reaksi

(6.6)

dK/dx adalah laju kehilangan energi akibat ionisasi dan eksitasi oleh partkel beta

(MeV/cm) dan W adalah energi rata-rata untuk membentuk satu pasangan ion.

Satu hal yang menarik, karena partikel beta bermuatan listrik dan bergerak dengan

kecepatan tinggi, apabila melintas dekat inti atom, maka gaya elektrostatik inti

menyebabkan partikel beta membelok dengan tajam. Peristiwa ini menyebabkan partikel

beta kehilangan energinya dengan memancarkan gelombang elektromagnetik yang dikenal

sinar-X Bremsstrahlung.

Soal-soal:

++→+ enpν

2. Tentukanlah energi yang dilepas ketika Be74 mengalami tangkapan elektron.

Diketahui massa Be74 dan Li7

3 adalah 7,016929u dan 7,0016004u.

3. Inti Ne23 meluruh ke inti Na23 dengan memancarkan beta negatif. Berapakah

energi kinetik maksimum elektron yang dipancarkan. Diketahui massa Ne23 dan

Na23 adalah 22,994466u dan 22,989770u.

4. Inti atom K40 memancarkan partikel beta dengan energi 1,32 MeV. Tentukan

jangkauan linier partikel beta di dalam air (ρair = 1 gr/cm3

5. Inti

).

Sr90 memancarkan partikel beta dengan energi 0,546 MeV. Tentukan tebal

bahan yang diperlukan untuk menahan semua radiasi beta tersebut jika bahan yang

digunakan aluminium (ρAl = 2,7 gr/cm3).

51

VII. PELURUHAN GAMMA

7.1. PELURUHAN GAMMA

Setelah peluruhan alfa dan beta, inti biasanya dalam keadaan tereksitasi. Seperti

halnya atom, inti akan mencapai keadaan dasar (stabil) dengan memancarkan foton

(gelombang elektromagnetik) yang dikenal dengan sinar gamma (γ).

Dalam proses pemancaran ini, baik nomor atom atau nomor massa inti tidak berubah.

γ+→ XX AA *)(

Energi gelombang ini ditentukan oleh panjang gelombang )(λ atau oleh frekuensinya

(f) sesuai persamaan

λ/hchfE == (7.1)

dengan h adalah tetapan plank yang besarnya 6,63 10-34 Js.

Energi tiap foton adalah beda energi antara keadaan awal dan keadaan akhir inti,

dikurangi dengan sejumlah koreksi kecil untuk energi pental inti. Energi ini berada pada

kisaran 100 KeV hingga beberapa MeV.

Inti dapat pula dieksitasi dari keadaan dasar ke keadaan eksitasi dengan menyerap

foton dengan energi yang tepat.

Gambar 7.1 memperlihatkan suatu diagram tingkat energi yang khas dari keadaan

eksitasi inti dan beberapa transisi sinar gamma yang dipancarkan. Wakto paro khas bagi

tingkat eksitasi inti adalah 10-9 hinga 10-12

Ada beberapa yang memiliki waktu paro lama (beberapa jam bahkan beberapa hari).

Intiinti yang tereksitasi seperti ini dinamakan isomer dan keadaan tereksitasinya dikenal

sebagai keadaan isomerik.

s.

Sub-pokok Bahasan Meliputi: • Peluruhan Gamma

• Absorbsi Sinar Gamma • Interaksi Sinar Gamma dengan Materi

TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Peluruhan Gamma, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan proses peluruhan gamma • Menjelaskan hakikat sinar gamma sebagai gelombang elektromagnetik

52

Gambar 7.1 Diagram Tingkat Energi Inti

Dalam menghitung energi partikel alfa dan beta yang dipancarkan dalam peluruhan

radioaktif di depan dianggap tidak ada sinar gamma yang dipancarkan. Jika ada sinar

gamma yang dipancarkan, maka energi yang ada (Q) harus dibagi bersama antara partikel

dengan sinar gamma.

7.2 ABSORBSI SINAR GAMMA

Sinar gamma merupakan gelombang elektromagnetik yang membawa energi dalam

bentuk paket-paket yang disebut foton. Jika sinar gamma masuk ke dalam suatu bahan,

juga mengahsilkan ionisasi, hanya saja ionisasi yang dihasilkan sebagian besar melalui

proses ionisasi sekunder. Jadi, jinar gamma berinteraksi dengan materi hanya beberapa

pasang ion primer saja yang terbentuk. Ion-ion primer itu selanjutnya melakukan proses

ionisasi sekunder sehingga diperoleh pasangan ion yang lebih banyak dibandingkan yang

terbentuk pada proses ionisasi primer.

Apabila sinar gamma (gelombang elektromagnetik) memasuki perisai, maka

intensitas radiasi saja yang akan berkurang, sedangkan energi tetap tidak berubah. deII µ−= 0 (7.2)

e-

e-

0,412 MeV

0

Au198

Hg198

γ1

γ2 γ3

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Absorbsi Sinar Gamma, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan dan menghitung penyerapan sinar gamma oleh material • Menjelaskan dan menghitung nilai tebal paro

53

Dengan Io adalah intensitas mula-mula, I Intensitas yang diteruskan, d adalah

ketebalan bahan perisasi dan μ adalah koefisien serapan linier bahan perisai.

Karena μd tidak memiliki satuan, maka satuan μ dan d menyesuaikan. Jika d dalam cm,

maka μ dalam 1/cm.

Nilai μ untuk setiap bahan sangat bergantung pada nomor atom bahan dan juga pada

radiasi gamma.

Untuk beberapa tujuan tertentu, seringkali tabel bahan perisai tidak dinyatakan dalam

tebal linier dengan satuan panjang, tetapi dinyatakan dalam tebal kerapatan (gr/cm2). Jika

besaran itu yang dipakai maka koefisien serapan bahan dinyatakan dalam koefisiem

serapan massa μm dengan satuan cm2

)/()/()( 321 cmgrxgrcmcm m ρµµ =−

/gr.

Hubungan keduanya dinyatakan dalam:

(7.3)

Selain kedua koefisien serapan tersebut, juga digunakan koefisien serapan atomik

(μa

)/()()/( 3

12

cmatomNcmatomcma

−

=µµ

), yaitu fraksi berkas radiasi gamma yang diserap oleh atom . Koefisien serapan atomik

dirumuskan

(7.4)

Dengan N adalah jumlah atom penyerap per cm3

Koefisien serapan atomik seringkali disebut microscopic cross section (σ), sedangkan

koefisien serapan linier sering dikenal dengan istilah macroscopic cross section (

. Koefisien serapan atomik ini selalu

menunjukkan tampang lintang (cross section) dengan satuan barn.

∑= σN ).

Sedangkan nilai tebal paro atau half value thickness (HVT) adalah tebal bahan perisai yang

diperlukan radiasi gelombang elektromagnetik untuk mengurangi intensitas radiasinya,

sehingga tinggal setengah dari semula.

Jika penurunan intensitas dirumuskan deII µ0= dan pada saat intensitas menjadi

setengahnya 021 II =

Maka

µ693,0

=HVT (7.5)

1 barn = 10-24 cm2

54

Dilihat dari daya tembusnya, radiasi gamma memiliki daya tembus paling kuat

dibandingkan dengan radiasi partikel yang dipancarkan inti radioaktif lainnya.

Sebaliknya, daya ionisasinya paling lemah. Karena sinar gamma termasuk

gelombang elektromagnetik, maka kecepatannya sama dengan kecepatan cahaya.

7.3 INTERAKSI SINAR GAMMA DAN MATERI

Ada tiga proses utama yang dapat terjadi apabila radiasi gamma melewati bahan,

yaitu efek fololistrik, hamburan Compton dan produksi pasangan. Ketiga proses tersebut

melepaskan elektron yang selanjutnya dapat mengionisasi atom-atom lain dalam bahan.

Peluang terjadinya interaksi antara radiasi gamma dengan bahan ditentukan oleh koefisien

absorbsi linier (μ). Karena penyerapan intensitas gelombang elektromagnetik melalui tiga

proses utama, maka nilai μ juga ditentukan oleh peluang terjadinya ketiga proses tersebut,

yaitu μf untuk foto listrik, μc untuk hamburan Compton dan μpp untuk produksi pasangan.

Koefisien absorbsi total (μt

ppcft µµµµ ++=

) dari ketiga koefisien tersebut

(7.6)

7.3.1 Efek fotolistrik

Efek foto listrik adalah peristiwa diserapnya energi foton seluruhnya oleh elektron

yang terikat kuat oleh suatu atom sehingga elektron tersebut terlepas dari ikatan atom.

Elektron yang terlepas dinamakan fotoelektron.efek foto listrik terutama terjadi antara 0,01

MeV hingga 0,5 MeV.

Efek fotolistrik ini umumnya banyak terjadi pada materi dengan Z yang besar, seperti

tembaga (Z = 29).

Energi foton yang datang sebagian besar berpindah ke elektron fotolistrik dalam

bentuk energi kinetik elektron dan sebagian lagi digunakan untuk melawan energi ikat

elektron (W0

0WhfK −=

).

Besarnya energi kinetik fotoelektron (K) dalam peristiwa ini adalah:

(7.7)

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Interaksi Sinar Gamma dengan Materi, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan jenis-jenis interaksi sinar gamma dan materi • Menjelaskan efek foto listrik, hamburan Compton dan produksi pasangan.

55

Dari persamaan 7.7 terlihat bahwa agar efek fotolistrik terjadi, maka energi foton

harus sekurang-kurangnya sama dengan energi ikat elektron yang berinteraksi.

7.3.2 Hamburan Compton

Hamburan Compton terjadi apabila foton dengan energi hf berinteraksi dengan

elektron bebas atau elektron yang tidak terikat dengan kuat oleh inti, yaitu elektron terluar

dari atom. Elektron itu dilepaskan dari ikatan inti dan bergerak dengan energi kinetik

tertentu disertai foton lain dengan energi lebih rendah dibandingkan foton datang. Foton

lain ini dinamakan foton hamburan.

Kemungkinan terjadinya hamburan Compton berkurang bila energi foton yang

datang bertambah dan bila Z bertambah.

Dalam hamburan Compton ini, energi foton yang datang yang diserap atom diubah

menjadi energi kinetik elektron dan foton hamburan. Perubahan panjang gelombang foton

hamburan dari λ menjadi λ’ dirumuskan

)cos1( θλλλ −=−′=∆cm

h

e

(7.8)

dengan memasukkan nilai-nilai h, m dan c diperoleh

)cos1(0242,0)( θλ −=∆ A (7.9)

Hamburan foton penting untuk radiasi elektromagnetik dengan energi 200 keV

hingga 5 MeV dalam sebagian besar unsur-unsur ringan.

7.3.3 Produksi pasangan

Produksi pasangan terjadi karena interaksi antara foton dengan medan listrik dalam

inti atom berat. Jika interaksi itu terjadi, maka foton akan lenyap dan sebagai gantinya akan

timbul sepasang elektron-positron. Karena massa diam elektron ekivalen dengan energi

0,51 MeV, maka produksi pasangan hanya dapat terjadi pada energi foton ≥ 1,02 MeV

(2mec2

22 cmcmKKhf pepe +++=

).

Energi kinetik total pasagan elektron-positron sesuai dengan persamaan:

. (7.10)

Kedua partikel ini akan kehilangan energinya melalui proses ionisasi atom bahan.

Positron yang terbentuk juga bisa bergabung dengan elektron melalui suatu proses yang

dinamakn annihiliasi.

56

Soal-soal:

1. Inti Th228 memancarkan alfa menjadi Ra224 dalam keadaan tereksitasi, yang

kemudian meluruh ke keadaan dasarnya dengan memancarkan foton 217 KeV.

Hitunglah energi kinetik partikel alfa. Massa Th228 dan Ra224 adalah 228,028726u

dan 224,020196u

2. Inti N12 memancarkan beta positif ke keadaan eksitasi C12 , yang sesudah itu

meluruh ke keadaan dasarnya dengan memancarkan sinar gamma 4,43 MeV.

Berapakah energi kinetik maksimum partikel beta yang dipancarkan. Massa N12

dan C12 adalah 12,018613u dan 12,004756u.

3. Radiasi gamma dengan energi 1,25 MeV mengalami hamburan Compton dengan

sudut hambur 600

4. Radiasi elektromagnetik dengan energi 206 eV diserap oleh suatu bahan. Jika

energi yang diperlukan untuk melepas elektron dari ikatan inti sebesar 4 eV, berapa

energi kinetik fotoelektron yang terlepas.

dari arah datangnya radiasi. Tentukan panjang gelombang foton

terhambur.

5. Koefisien serapan linier suatu bahan 0,25/cm. Berapa tebal bahan yang diperlukan

untuk mengurangi intensitas sinar gamma menjadi ¼ dari intensitas semula.

57

VIII. DETEKSI RADIASI NUKLIR

8.1 DETEKTOR ISIAN GAS

8.1.1 Prinsip Kerja

Sinar radioaktif tidak dapat dilihat dengan mata biasa, sehingga untuk mendeteksinya

harus digunakan alat. Alat deteksi sinar radioaktif dinamakan detektor radiasi.

Salah satu jenis detektor radiasi yang pertama kali diperkenalkan dan sampai saat ini

masih digunakan adalah detektor ionisasi gas. Detektor ini memanfaatkan hasil interaksi

antara radiasi pengion dengan gas yang dipakai sebagai detektor. Lintasan radiasi pengion

di dalam bahan detektor dapat mengakibatkan terlepasnya elektron-elektron dari atom

bahan itu sehingga terbentuk pasangan ion positif dan ion negatif. Karena bahan

detektornya berupa gas maka detektor radiasi ini disebut detektor ionisasi gas.

Gambar 8.1 Skema Detektor Isian Gas

Sub-pokok Bahasan Meliputi: • Detektor Isian Gas • Detektor Sintilator

• Detektor Kamar Kabut

Menuju amplifier

Silinder metal

R

Jendela tipis Isolasi

Kawat

Gas

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Detektor Isian Gas, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan prinsip kerja detektor ionisasi gas • Menjelaskan dan mengoperasikan detektor ionisasi gas pada daerah kamar

ionisasi, daerah proporsional dan Geiger-Muller

58

Jumlah pasangan ion yang terbentuk bergantung pada jenis dan energi radiasinya.

Radiasi alfa dengan energi 3 MeV misalnya, mempunyai jangkaun (pada tekanan dan suhu

standar) sejauh 2,8 cm dapat menghasilakn 4.000 pasangan ion per mm lintasannya.

Sedang radiasi beta dengan energi kinetik 3 MeV mempunyai jangkaun dalam udara (pada

tekanan dan suhu standar) sejauh 1.000 cm dan menghasilkan pasangan ion sebanyak 4

pasang tiap mm lntasannya.

Detektor ionisasi gas berbentuk silinder yang diisi gas dan mempunyai dua elektroda.

Dinding tabung yang dipakai sebagai selubung gas sebagai elektroda negatif (katoda).

Kawat di tengah-tengah tabung berfungsi sebagai elektroda positif (anoda). Kedua

elektroda berfungsi sebagai keping-keping kapasitor.

Apabila kapasitas dari kapasitor adalah C dan beda potensial antara kedua

elektrodanya adalah sebesar sumber tegangannya V, maka muatan listrik Q yang disimpan

dalam kapasitor adalah:

VxCQ = (8.1)

Masuknya radiasi ke dalam tabung detektor menyebabkan terbentuknya pasangan ion.

Ion positif akan tertarik ke katoda dan ion negatif tertarik ke anoda. Karena menarik ion-

ion yang berlawanan, maka akan terjadi pengurangan muatan listrik pada masing-masing

elektroda. Penurunan jumlah muatan itu, mengakibatkan penurunan tegangan antara kedua

elektroda, yang dirumuskan:

CQV ∆

=∆ (8.2)

Jika N menyatakan jumlah pasangan ion yang terbentuk dan e adalah muatan

elektron (1,6 x 10-19

NeQ =∆

C) maka jumlah penurunan muatan pada kapasitor:

(8.3)

Dengan mensubstitusi persamaan 8.2 dan 8.3 diperoleh:

CNeV =∆ (8.4)

Dari persamaan tersebut terlihat bahwa penurunan tegangan sebanding dengan

pasangan ion yang terbentuk. Sedang jumlah pasangan ion itu sendiri bergantung pada

jenis dan energi radiasi yang ditangkap detektor. Perubahan tegangan itu akan

mengakibatkan terjadinya aliran listrik (denyut out put) yang dapt diubah menjadi angka-

angka hasil cacahan radiasi.

59

Dengan memanfaatkan tingkah laku ion-ion gas dalam medan listrik, telah berhasil

dikembangkan tiga jenis alat pantau radiasi yang menggunakan gas sebagai detektornya,

yaitu: alat pantau kamar ionisasi, alat pantau proporsional, dan alat pantau Geiger-Muller

(GM). Ketiganya mempunyai bentuk dasar dan prinsip kerja yang sama. Perbedaanya

terletak pada tegangan operasi masing-masing.

8.1.2 Detektor Kamar Ionisasi

Detektor kamar ionisasi beroperasi pada tegangan paling rendah. Jumlah elektron

yang terkumpul di anoda sama dengan jumlah yang dihasilkan oleh ionisasi primer. Dalam

kamar ionisasi ini tidak terjadi pelipat-gandaan (multiplikasi) jumlah ion oleh ionisasi

sekunder. Dalam daerah ini dimungkinkan untuk membedakan antara radiasi yang berbeda

ionisasi spesifikasinya, misalnya antara partikel alfa, beta dan gamma.

Namun, arus yang timbul sangat kecil, kira-kira 10-12

8.1.3 Detektor Proporsional

A sehingga memerlukan

penguat arus sangat besar dan sensitivitas alat baca yang tinggi.

Salah satu kelemahan dalam mengoperasikan detektor pada daerah kamar ionisasi

adalah out put yang dihasilkan sangat lemah sehingga memerlukan penguat arus sangat

besar dan sensitivitas alat baca yang tinggi. Untuk mengatasi kelemahan tersebut, tetapi

masih tetap dapat memanfaatkan kemampuan detektor dalam membedakan berbagai jenis

radiasi, maka detektor dapat dioperasikan pada daerah proporsional.

Alat pantau proporsional beroperasi pada tegangan yang lebih tinggi daripada kamar

ionisasi. Daerah ini ditandai dengan mulai terjadinya multiplikasi gas yang besarnya

bergantung pada jumlah elektron mula-mula dan tegangan yang digunakan. Karena terjadi

multiplikasi maka ukuran pulsa yang dihasilkan sangat besar.

Gambar 8.2. Proses Multiplikasi Ion

_ +

_ _

_ _ _ _

Ion positif mula-mula Ion negatif

mula-mula

Anoda

Katoda

60

Multiplikasi terjadi karena elektron-elektron yang dihasilkan oleh ionisasi primer

dipercepat oleh tegangan yang digunakan sehingga elektron tersebut memiliki energi yang

cukup untuk melakukan ionisasi berikutnya (ionisasi sekunder). Meskipun terjadi

multiplikasi, namun jumlah elektron yang dihasilkan tetap sebanding (proporsional)

dengan ionisasi mula-mula. Karena itu dinamakan alat pantau proporsional.

Keuntungan dari alat pantau proporsional adalah bahwa alat ini mampu mendeteksi

radiasi dengan intensitas cukup rendah. Namun, memerlukan sumber tegangan yang super

stabil, karena pengaruh tegangan pada daerah ini sangat besar terhadap tingkat multiplikasi

gas dan juga terhadap tinggi pulsa out put.

8.1.4 Detektor Geiger-Muller

Detektor Geiger-Muller (GM) beroperasi pada tegangan di atas detektor proporsional.

Dengan mempertinggi tegangan akan mengakibatkan proses ionisasi yang terjadi dalam

detektor menjadi jenuh. Pulsa yang dihasilkan tidak lagi bergantung pada ionisasi mula-

mula maupun jenis radiasi. Jadi, radiasi jenis apapun akan menghasilkan keluaran sama.

Karena tidak mampu lagi membedakan berbagai jenis radiasi yang ditangkap

detektor, maka detektor GM hanya dipakai untuk mengetahui ada tidaknya radiasi.

Keuntungan dalam pengoprasian GM ini adalah denyut out put sangat tinggi, sehingga

tidak diperlukan penguat (amplifier) atau cukup digunakan penguat yang biasa saja.

Gambar 8.3. Grafik Pembagian Daerah Kerja Detektor Isian Gas V (volt)

0 250

500

750

1000 100

102

104

106

108

1010

1012

Elektron

Partikel alfa

Daerah Discharge Daerah Proporsional

Kamar Ionisasi

Daerah Rekombinasi

Daerah GM Daerah Proporsional Terbatas

61

8.2 DETEKTOR SINTILASI

Detektor generasi lebih baru dibanding dengan detektor isian gas adalah detektor

sintilasi. Detektor jenis ini menggunakan dasar efek sintilasi (kelipan) apabila bahan

sintilator dikenai suatu radiasi nuklir. Proses ini terutama disebabkan oleh proses eksitasi

yang diikuti oleh deeksitasi.

Banyak bahan yang bersifat sintilator ini tetapi mempunyai kebolehjadian efek

sintilasi yang berbeda-beda untuk ketiga jenis radiasi α, β dan γ. Untuk radiasi α biasa

dipakai bahan ZnS(Ag), CsI(Tr). Untuk radiasi β adalah jenis plastik, organik (antrasin).

Sedang untuk γ sering dipakai NaI(Tl) juga plastik.

Mengenai proses sintilasinya dapat dijelaskan sebagai berikut. Ditinjau tingkat-

tingkat energi atom sintilatornya. Sebagai contoh adalah ZnS(Ag).

Gambar 8.4. Tingkat-tingkat Energi

Bila energi antara pita valensi dan pita konduksi atau pita eksitasi cukup besar (orde

10 eV), maka keboleh-jadian berpindahnya elektron ke pita konduksi atau eksitasi sangat

kecil. Namun, dengan adanya aktivator (Ag) maka energi dasar dan eksitasinya menjadi

10 eV

3 eV

Pita Konduksi

Pita Eksitasi

Pita Jebakan

Tingkat eksitasi aktivator

Tingkat dasar aktivator

Pita Valensi

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Detektor Sintilasi, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan prinsip detektor sintilasi • Menjelaskan spektroskopi gamma dengan detektor sintilasi

62

kecil (3 eV) sehingga proses sintilasi menjadi mudah. Karena selisih energi tingkat dasar

dan eksitasi 3 eV maka energi foton yang dipancarkan adalah juga 3 eV atau panjang

gelombangnya sebesar 4500 A.

Gambar 8.5. Skema Detektor Sintilasi

Sintilator dilekatkan pada dinding PMT (Photomultiplier Tube) dengan minyak

silicon untuk menghilangkan pantulan oleh dinding PMT. Cahaya yang terjadi karena

proses sintilasi tadi mengenai katoda yang terbuat dari foto sel (disebut fotokatoda) yang

menghasilkan fotoelektron yang banyaknya sebanding dengan intensitas cahaya.

Selanjutnya fotoelektron tersebut melalui deretan anoda yang terbuat dari bahan

fotosel juga, yang tegangannya bertingkat dari rendah dekat katoda, makin tinggi sampai di

anoda terakhir. Anoda-anoda ini disebut dinoda.

Oleh tegangan tinggi yang terpasang pada dinoda-dinoda, fotoelektron tadi

dipercepat ke dinoda pertama menghasilkan elektron lebih banyak, lalu dipercepat ke

dinoda kedua menghasilkan elektron lebih banyak lagi. Demikian seterusnya sampai

semua elektron dikumpulkan di anoda dan menghasilkan pulsa listrik.

Tinggi pulsa yang dihasilkan sebanding dengan banyaknya elektron yang terkumpul

di anoda, sedang banyaknya elektron terkumpul ini sebanding dengan banyaknya

fotoelektron, banyaknya fotoelektron sebanding dengan intensitas cahaya hasil proses

sintilasi dan intensitas cahaya ini sebanding dengan tenaga radiasi. Maka, detektor sintilasi

dapat dipakai untuk spektroskopi.

Dinoda

Fotokatoda

Minyak Silikon

PMT

Foton

Anoda R

Tegangan Tinggi

63

Karena pulsa ini masih cukup tinggi, perlu diperkuat dengan penguat awal (pre amp)

dan penguat utama (main amp) baru dimasukkan ke penganalisa tinggi pulsa, bisa berupa

SCA (single channel analyzer) atau MCA (multi channel analyzer).

SCA dan MCA ini tidak lain adalah penganalisa tinggi pulsa (pulse high

analyzer/PHA) yang dapat digunakan untuk mentransformasikan distribusi tinggi pulsa

pada keluaran penguat utama menjadi spektrum energi.

Gambar 8.6 Spektrum Energi Sinar Gamma dari 60

8.3 DETEKTOR KAMAR KABUT

Co,

Didperoleh dengan Detektor Sintilasi

Jika udara didinginkan sehingga uap mencapai keadaan jenuh, maka udara itu masih

dapat didinginkan tanpa terjadi pengembunan. Pada keadaan ini, uap dinamakan

superjenuh. Keadaan superjenuh ini akan terjadi hanya jika udara bebas dari debu atau

partikel-partikel garam yang dapat bertindak sebagai inti pengembunan sehingga

membentuk tetes-tetes kabut.

Energi (KeV)

Inte

nsita

s Rel

atif

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Detektor Kamar Kabut, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan prinsip kerja detektor kamar kabut • Menjelaskan kegunaan detektor kamar kabut

64

Pada tahun 1911, Wilson menemukan bahwa ion-ion gas dapat juga bertindak

sebagai inti pengembunan. Kemudian gejala ini digunakan untuk menunjukkan lintasan-

lintasan radiasi ionisasi melalui udara.

Sebuah sumber radioaktif memancarkan partikel-partikel dalam sebuah kamar udara

yang jenuh dengan uap air dan alkohol. Ketika partikel-partikel ini melalui udara, mereka

bertumbukan dengan molekul-molekul udara. Tumbukan ini mengakibatkan terjadinya

ionisasi, sehingga meninggalkan jejak ion positif dan negatif. Jika tekanan dalam kamar

dikurangi dengan cara memompa sebagian udara keluar, maka udara menjadi lebih dingin.

Keadaan ini memungkinkan partikel-partikel uap superjenuh mengembun pada ion-ion

tersebut, sehingga jejak tetes-tetes uap sepanjang lintasan ion-ion dapat terlihat.

Bentuk jejak kabut yang dihasilkan dalam kamar kabut bergantung pada partikel-

partikel radioaktif yang digunakan.

Gambar 8.7. Skema Detektor Kamar Kabut

Layar gelap

Sumber radiasi

Uap

Kaca

Pengisap

65

Soal-soal:

1. Sebuah detektor radiasi membentuk piringan bundar berdiameter 3 cm

diletakkan sejauh 25 cm dari sumber radioaktif. Detektor itu mencatat 1250

cacahan per detik. Dengan asumsi detektor mencatat setiap radiasi yang jatuh

padanya, hitunglah aktivitas cuplikan (dalam curie)

2. Jelaskan, mengapa pada detektor proporsional terjadi multiplikasi ion tapi

jumlahnya masih proporsional dengan ionisasi primer?

3. Jelaskan prinsip kerja SCA dan MCA pada detektor sintilasi

4. Dengan spektroskopi sinar gamma, dapat diketahui jenis unsur dan

kandungannya pada suatu cuplikan. Mengapa dan bagaimana caranya?

5. Prediksilah bagaimana lintasan sinar alfa dan sinar beta pada detektor kamar

kabut.

Biografi Singkat

WILSON Charles Thomson Rees Wilson adalah ahli fisika Skotlandia. Barsam Arthur H. Compton,

ahli fisika AS, mendapat Hadiah Nobel untuk fisika karena menemukan kamar Wilson atau kamar kabut. Kamar Wilson merupakan detektor radiasi untuk mengamati dan menentukan jalur lintasan partikel-partikel seperti partikel alfa, beta, gamma, proton dan lain-lain. Alat ini dipakai secara luas untuk mempelajari radioaktivitas, sinar-X, sinar kosmis dan fenomena nuklir yang lain.

Wilson lahir di Glencorse, Midlothian, Skotlandia pada tanggal 14 Februaru 1869 dan meninggal di Carlops, peeblesshire pada tanggal 15 November 1959.

Ia mendapat pendidikan di Owens College, Manchester dan Sidney Sussex College di Cambridge. Kemudia ia menjadi guru besar filsafat alam di Universitas Cambridge.

Aslinya ia adalah ahli meteorologi. Sebagai ahli meteorologi ia sering mempelajari awan. Ia sering melihat awan berkumpul di dekat puncak pegunungan. Ia sering melihat uap air mengembun pada debu kemudian membentuk tetes air hujan. Kemudian ia ingin tahu apakah upa air juga mengembun pada benda-benda kecil seperti partikel atom.

Ia mulai membuat kamar kabut pada tahun 1896 dan menyempurnakannya pada tahun 1912. Jadi pembuatan dan penyempurnaan kamar kabut itu membutuhkan waktu 16 tahun.

Kamar kabut terdiri dari tabung berbentuk silinder. Di dalam silinder ada semacam pengisa atau piston. Diatas silinder ada bola kaca. Bola kaca ini diisi udara yang jenuh dengan uap air dan bersih dari debu. Bila pengisap atau piston ditarik ke bawah, maka suhu di dalam kaca akan turun sehingga ruang di dalam kaca menjadi lewat jenuh uap air. Jika kedalam kamar (ruang) dimasukkan zat radioaktif maka akan timbul ion yang bersifat seperti debu. Di dalam kamar terjadilah pengembunan. Bila zat yang masuk ke dalam kamar mampu memancarkan cahaya, maka embun itu akan menghamburkan cahaya. Lintasan sinarnya tampak seperti garis kabut. Garis kabut ini dapat di potret.

Kamar kabut ini ternyata sangat penting untuk mempelajari fisika nuklir dan menyebabkan dikembangkannya kamar gelembung (buble chamber).

66

YbXa +→+

IX. REAKSI NUKLIR

9.1 REAKSI NUKLIR

Dalam peristiwa radioaktivitas, inti meluruh secara spontan dan menghasilkan inti

yang baru. Dengan perkembangan teknologi, unsur baru dapat dibentuk dengan

menciptakan reaksi inti. Berbeda dengan reaksi kimia yang hanya melibatkan elektron luar

(elektron valensi), reaksi inti melibatkan partikel-partikel yang ada di dalam inti. Reaksi

inti ini biasanya dilakukan dengan menembaki inti sebuah isotop dengan partikel lain yang

lebih kecil dan berenergi tinggi, misalnya netron atau proton.

Seperti halnya dalam reaksi kimia, dalam reaksi inti juga dapat dituliskan persamaan

reaksinya.

a adalah proyektil, X adalah inti target, b adalah partikel terdeteksi dan Y adalah inti

sisa

Diantara contoh-contoh partikel proyektil ditunjukkan dalam tabel 9.1

Tabel 9.1. Proyektil dan Notasinya

Proyektil Notasi

Netron n, n10

Proton p, H11

Deuteron d, H21

Triton t, H31

Sub-pokok Bahasan Meliputi: • Reaksi Nuklir

• Jenis-jenis Reaksi Nuklir • Sistem Kerangka Acuan • Energi Reaksi Nuklir

TUJUAN ISNTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Nuklir, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan definisi reaksi nuklir • Menjelaskan persamaan dalam reaksi nuklir

67

Helium-3 h, He32

Helium-4

(partikel alfa) He4

2,α

Sebagai contoh reaksi netron dengan uranium-235:

)(3 10

8735

14657

10

23592 QEnerginBrLanU +++→+

Isotop uranium-235 ditembaki dengan netron menghasilkan isotop La-146 dan Br-87

disertai 3 netron dan energi.

Dalam reaksi inti berlaku hukum kekekalan nomor atom dan nomor massa. Sebelum

reaksi jumlah nomor atom 92 sama dengan jumlah nomor atom setelah reaksi. Jumlah

nomor massa sebelum reaksi 236 sama dengan jumlah nomor massa setelah reaksi.

Selain hukum kekekalan tersebut, juga berlaku hukum kekekalan momentum dan dan

hukum kekekalan massa-energi.

9.2 KLASIFIKASI REAKSI NUKLIR

Reaksi nuklir diklasifikasi berdasarkan proyektil, partikel terdeteksi dan inti sisa. Jika

proyektil dan partikel terdeteksinya sama dinamakan reaksi hamburan.

nXenXe +→+

Jika inti sisa dalam keadaan tak tereksitasi, maka hamburannya dinamakan hamburan

tak elastis, sedangkan jika inti sisa berada dalam keadaan tereksitasi, maka hamburannya

dinamakan hamburan elastis.

Selanjutnya, jika proyektil penembak inti target memperoleh nukleon dari inti target

dinamakan reaksi tangkapan. Sedangkan jika proyektil melepaskan nukleon ke inti target

dinamakan reaksi pelepasan.

Contoh reaksi pengambilan

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Klasifikasi Reaksi Nuklir, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan klasifikasi reaksi nuklir • Menjelaskan hamburan nuklir, baik elastis maupun tak elastis • Menjelaskan reaksi tangkapan dan pelepasan • Menjelaskan reaksi inti campuran dan reaksi fisi

68

HeCaHeCaHOHO

42

4020

32

4120

31

158

21

168

+→+

+→+

Contoh reaksi pengambilan

HMgHeNaHZrHZr

21

2412

32

2311

11

9140

21

9040

+→+

+→+

Pada reaksi pengambilan dan pelepasan, biasanya terjadi pada energi-energi yang

cukup tinggi sehingga diasumsikan reaksinya berjalan secara langsung. Pada reaksi

tersebut, diasumsikan bahwa nukleon yang terlibat masuk atau keluar dari orbit model kulit

inti target, tanpa mengganggu nukleon lain di dalam inti target tersebut.

Salah satu reaksi yang berbeda dengan semua jenis reaksi diatas, dikenal dengan inti

campuran. Inti tersebut berada dalam keadaan tereksitasi dalam waktu yang sangat singkat,

yaitu sekitar 10-16 s, kemudian meluruh. Waktu tersebut sangat singkat dan lain itu, idak

bisa diamati secara langsung, hanya saja waktunya lebih lama dibanding dengan waktu

yang dibutuhkan proyektil untuk menjelajahi jarak nuklir yang ordenya, hanya 1021

[ ]

+++++++++++++

→→

++++++

BBBB

BeCBeCLiNLiN

OhOtFdF

NenNepF

Ne

BBBeCLiN

OhOpF

115

95

105

105

94

116

84

126

73

137

63

147

168

178

179

189

2010

1910

199

*2010

105

105

84

126

63

147

168

178

199

α

γ

α

s.

Biasanya terdapat beberapa reaksi berbeda yang akan menghasilkan inti campuran

yang sama. Selain itu, juga terdapat hasil yang berbeda-beda setelah peluruhan. Setelah inti

bercampur, ada yang memancarkan sinar gamma atau partikel lain, dan ada juga yang

setelah inti bercampur kemudian mengalami fisi (terpecah menjadi dua inti yang massanya

hampir sama).

Contoh reaksi inti campuran:

69

9.3 SISTEM KERANGKA ACUAN

9.3.1 Sistem Laboratorium

Ada dua sistem kerangka acuan dalam menganalisis reaksi-reaksi nuklir, yaitu sistem

laboratorium dan sistem pusat massa.

Jika inti target dianggap dalam keadaan diam, dinamakan sistem laboratorium.

Gambar 9.1. Sistem Laboratorium

9.3.2 Sistem Pusat Massa

Jika partikel sebelum tumbukan dan setelah tumbukan masing memiliki total

momentum nol, maka sistem yang digunakan adalah sistem pusat massa. Reaksi inti dalam

suatu eksperimen biasanya dianalisis menggunakan sistem pusat massa.

Dalam sistem pusat massa, besarnya kecepatan inti target V’ sama dengan kecepatan

pusat massa Vcm

cmcm VvvVV −=′=′

dan besarnya kecepatan partikel datang v’

(9.1)

v adalah besarnya kecepatan partikel datang yang terukur di laboratorium.

v

Mi

mf

Mf

v

Vf

Sebelum tumbukan

Sesudah tumbukan

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Sistem Kerangka Acuan, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan reaksi nuklir dengan kerangka acuan laboratorium • Menjelaskan dan menganalisis reaksi nuklir dengan kerangka acuan sistem

pusat massa

70

Gambar 9.2. Sistem Pusat Massa

Dengan mensyaratkan jumlah momentum inti target dan partikel datang sama dengan

nol di pusat massa, maka:

vmVmMVvmVM

vmVM

icmii

cmicmi

ii

=+=−+−

=′+′−

)(0)(

0 (9.2)

Dengan menggabungkan persamaan 9.1 dan 9.2 didapatkan

vMm

mV

ii

i

+=′ (9.3)

dan

vMm

Mv

ii

i

+= (9.4)

Setelah reaksi, partikel-partikel akhir harus bergerak ke arah yang berlawanan dengan

momentum di sistem pusat massa yang sama.

Contoh

Ketika diamati dalam sistem laboratorium, proton 6 MeV mengenai target C12 yang

diam. Carilah kecepatan inti karbon dalam sistem pusat massa. Jika massa proton 1u.

Jawab

v’

mi

Mi

mf

Mf

v’f

V’f

Sebelum tumbukan

Sesudah tumbukan

V’ (miv’ = MiV’)

(mfv’f = MfV’f)

71

[ ] uMeVxmmmmQ bYXa /5,931)()( +−+=

Dengan pendekatan non relativistik, kecepatan proton di dapatkan dari persamaan

2

21 vmK ii =

Maka

smxuMeVu

MeVxcm

Kc

mK

vi

i

i

i /1041,3)/5,931)(1(

)6(2)103(22 68

2 ====

Selanjutnya, kecepatan inti karbon dalam sistem pusat massa

smxsmxuu

uvmM

mV

ii

i /1062,2)/1041,3(112

1 66 =+

=+

=′

Dalam arah proton.

9.4 ENERGI REAKSI INTI

Untuk menghitung jumlah energi yang dibebaskan atau diperlukan dalam reaksi

digunakan hukum kekekalan energi massa.

Perhatikan reaksi berikut:

QYbXa ++→+

Pada reaksi ini, inti atom X ditembak dengan partikel a sehingga menghasilkan unsur

Y dan partikel b. Energi yang dibebaskan dalam reaksi ini adalah Q. Pada reaksi ini akan

terjadi perbedaan massa antara atom-atom sebelum reaksi dan sesudah reaksi. Jika massa

sesudah reaksi lebih besar dari massa sebelum reaksi maka diperlukan energi untuk

memperoleh reaksi tersebut. Sebaliknya, jika massa setelah reaksi lebih kecil dibanding

sebelumnya, maka dalam reaksi tersebut dilepaskan energi.

Menurut hukum kekekalan energi akan berlaku:

QYenergibenergiXenergiaenergi ++=+ (9.5)

atau

(9.6)

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Energi Reaksi Inti, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan dan menghitung energi dalam reaksi inti • Menjelaskan reaksi endotermik dan eksotermik • Menjelaskan dan menghitung energi ambang bagi reaksi inti

72

dengan m adalah massa dalam satuan u dan indeks adalah unsur atau partikel yang

bersangkutan.

Dapat juga ditinjau energi yang dihasilkan berdasarkan energi kinetik dari pereaksi

dan hasil reaksi. Misalkan unsur X dalam keadaan diam Kx = 0 ketika ditembak oleh

partikel a yang mempunyai energi kinetik Ka. Hasilnya adalah adalah unsur Y yang

memiliki energi kinetik KY dan partikel b yang mempunyai energi kinetik Kb

abY KKKQ −+=

. Selisih

antara energi kinetik sesudah dan sebelum reaksi sama dengan energi reaksi Q. Dengan

demikian berlaku:

(9.7)

Jika Q > 0, terdapat energi yang dibebaskan (reaksi eksotermik atau eksoergik) dan

jika Q < 0, terdapat energi yang diserap (reaksi endotermik atau endoergik).

Pada reaksi endotermik, ada energi minimum atau energi ambang bagi proyektil a

agar reaksi inti terjadi.

Besarnya energi ambang (Kth

)1(X

ath m

mQK +−=

) dalam kerangka acuan laboratorium adalah:

(9.8)

Contoh

Hitunglah nilai Q untuk reaksi berikut

ZnnCuH 646321 +→+

Jika deuteron berenergi 12,00 MeV menembak Cu dalam keadaan diam dan netron yang

teramati memiliki energi kinetik 16,85 MeV. Hitunglah energi kinetik inti Zn tersebut.

Jawab

MeVuMeVxuuuuQ

487,5/5,931)929145,63008665,1929599,62014102,2(

=−−+=

Selanjutnya untuk energi kinetik Zn

MeVMeV

KKQK baY

64,0)85,1600,12487,5(

=+==

−+=

73

COCKCROFT Sir John Douglas Cockcroft ahli fisika penemu akselerator partikel, penemu transmutasi

inti dan peraih Hadiah Nobel. Bersama Ernest T.S. Walton pada tahun 1951 ia menerima Hadiah Nobel untuk fisika, karena mereka adalah orang pertama di dunia yang berhasil mengubah inti atom dengan menembakkan partikel yang telah dipercepat dengan akselerator partikel.

Cockcroft lahir di Yorkshire, Inggris, pada 27 Mei 1897 dan meninggal di Cambridge pada 18 September 1967.

Ia mendapat gelar insinyur listrik dari Manchester College of Technology. Setelah perang Dunia I selesai, ia kuliah lagi di Universitas Cambridge. Pada umur 31 ia berhasil mendapatkan gelar doktor. Setelah itu ia memperdalam pengetahuannya di bidang fisika pada Rutherford.

Sudah berabad-abad lamanya para ahli kimia berusaha mengubah sebuah unsur menjadi unsur lain. Perubahan unsur ini sering dinamakan transmutasi. Pada tahun 1919 Rutherford berhasil mentransmutasikan nitrogen menjadi oksigen dengan cara menembaki nitrogen dengan partikel alfa. Partikel alfa ini berasal dari zat radioaktif. Tapi sumber radioaktif ini sulit diperoleh dan jumlah partikel alfa juga sedikit. Ditambah lagi partikel alfa tidak cukup kuat untuk menembak inti atom yang lebih berat.

Pada tahun 1932 Cockcroft dan Walton membuat akselerator partikel pertama kali dunia. Akselerator partikel adalah alat untuk mempercepat dan memperbesar energi elektron atau proton. Dengan akselerator itu, mereka menembaki atom litium dengan proton. Hasilnya adalah berilium yang kemudian pecah jadi dua partikel alfa. Mereka menggabungkan litium dan hidrogen untuk membentuk helium.

Soal-soal:

1. Buktikan bahwa energi kinetik ambang dalam kerangka acuan laboratorium adalah

)1(X

ath m

mQK +−=

2. Berapakah energi yang akan dilepaskan jika dua inti H21 akan melebur menjadi

partikel alfa He42 . Massa H2

1 dan He42 adalah 2,014102u dan 4,002603u.

3. Inti detrium H21 berenergi 12,00 MeV mendatangi sebuah sasaran Cu63 dengan

reaksi ZnnCuH 64632 +→+ . Netron yang dihasilkan memiliki energi kinetik 16,85

MeV. Hitunglah energi kinetik inti Zn64

4. Hitunglah energi kinetik ambang untuk reaksi

ddtp +→+

a. Jika p mendatangi t yang diam

b. Jika t mendatangi p yang diam (diketahui massa atom p = 1,007825u, t =

3,016049, d = 2,014102u)

5. Carilah kecepatan dari [ ]*4221 Sc dalam reaksi [ ] dCaScpCa +→→+ 40

20*42

124220 ketika

energi proton dalam laboratorium sebesar 7,2 MeV.

Biografi Singkat

74

X. REAKSI FISI

10.1 REAKSI FISI

Raeksi fisi nuklir atau sering disingkat reaksi fisi adalah reaksi pembelahan inti berat

menjadi dua buah inti lain yang lebih ringan. Karena energi ikat pernukleon inti yang lebih

ringan lebih besar dibandingkan dengan energi ikat pernukleon inti yang berat, maka

dalam reaksi ini akan dibebaskan energi. Contoh reaksi fisi:

QnBrLaUnU +++→→+ 10

8735

14657

23692

10

23592 3

Inti atom isotop uranium-235 ditembak dengan netron lambat. Dalam reaksi awal

terbentuk terlebih dahulu uranium-235 yang tidak stabil dan segera meluruh. Peluruhan

uranium yang tidak stabil ini pecah menjadi dua inti yang lebih ringan. Hasil belah fisi

menjadi dua grup: inti ringan dengan nomer massa 80-100 dan inti berta dengan nomer

massa 125-155. Banyak sekali pasangan yang bisa dihasilkan dalam reaksi ini. Isotop hasil

belah yang probabilitasnya paling besar adalah inti yang memiliki nomor massa 95 dan

139, yakni 6,4%

Gambar 10.1. Distribusi Hasil Belah Fisi

Sub-pokok Bahasan Meliputi: • Konsep Dasar Reaksi Fisi • Distribusi Energi Fisi

• Reaksi Berantai

9

13

Nomor Massa

Pers

enta

se re

altif

has

il be

lah

fisi

TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Fisi, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan konsep dasar reaksi fisi • Distribusi massa hasil belah fisi

75

Pasangan ini dinamakan fragmen fisi primer. Selain fragmen fisi primer, juga

dihasilkan netron cepat setelah reaksi langsung. Rata-rata dalam reaksi nuklir itu akan

dihasilkan 2-3 netron cepat.

Produksi fisi primer (dalam hal ini, misalnya La dan Br) yang juga merupakan inti

tidak stabil yang kelebihan netron dan akan meluruh menjadi produk yang stabil. Inti yang

dihasilkan dalam reaksi ini disebut produk fisi.

Energi yang dihasilkan dalam reaksi inti ini sangat besar. Selisih energi ikat antara

energi ikat sebelum reaksi dan sesudah reaksi sekitar 0,9 MeV pernukleon. Karena nukleon

yang terlibat sebanyak 236, maka akan diperoleh energi sebesar sekitar 200 MeV setiap

kali terjadi reaksi nuklir. Pada umumnya, setiap reaksi yang berbeda memiliki energi yang

berbeda pula.

Gambar 10.2. Pembebasan Energi Pada Reaksi Fisi

10.2 DISTRIBUSI ENERGI FISI

Distribusi energi rata-rata yang dilepaskan tiap fisi uranium-235 ditunjukkan dalam

tabel 10.1 :

Nomor Mass A

Ener

gi ik

at p

er n

ukle

on (M

eV)

40 80 100 140 200 240

10

8

6

4

2

56Fe

Fisi

238U

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Distribusi Energi Fisi, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan dan menghitung energi yang dibebaskan pada reaksi fisi • Menjelaskan distribusi energi pada reaksi fisi

76

Tabel 10.1. Distribusi Energi Setelah Fisi Uranium-235

Energi Langsung dari Fisi Energi Tunda dari Fisi

Energi kinetik untuk hasil fisi 167 MeV

Energi kinetik untuk netron 5 MeV

Energi langsung sinar 5 MeV

Gamma

Energi sinar Gamma 10 MeV

dari tangkapan radiatif __________

Energi total langsung 187 MeV

Partikel beta dari hasil Fisi 7 MeV

Sinar gamma dari hasil Fisi 6 MeV

Neutrino-neutrino

Energi Total Tunda 23 MeV

10 MeV

Semua energi dilepaskan, dengan pengecualian energi nuetrino yang diubah menjadi

panas yang melewati beberapa proses. Hasil belah fisi bermuatan positif dan memiliki

energi kinetik yang tinggi, menyebabkan ionisasi pada atom-atom sekitar. Dalam proses

ionisasi ini, energi kinetik ditransfer ke atom-atom bahan material di sekitarnya dan

menghasilkan kenaikan temperatur. Partikel beta dan sinar gamma juga menaikkan suhu

sekitar melalui proses ionisasi. Sementara netron-netron hasil fisi berinteraksi dengan

atom-atom material di sekitanya dan kehilangan energi lewat hamburan elastik.

Energi 200 MeV dilepaskan tiap fisi. Namun ada kira-kira sekitar tujuh persen (13

MeV) dilepaskan agak tertunda beberapa saat setelah fisi berlangsung. Saat reaktor

dimatikan, fisi-fisi sesungguhnya berhenti, namun beberapa energi masih dilepaskan dari

peluruhan hasil fisi. Panas yang dihasilkan oleh energi peluruhan di namakan panas

peluruhan. Panas peluruhan yang dihasilkan cukup signifikan, sehingga harus dilengkapi

suatu sistem untuk menjaga reaktor tetap dingin saat setelah reaktor dimatikan.

Contoh

Dalam suatu rangkaain proses uranium-235 membentuk uranium 236 yang kemudian

mengalami fisi. Fisi tersebut selanjutnya menghasilkan peluruhan-peluruhan berikutnya.

Jika hasil fisi awal adalah Ba14356 dan Kr90

36 . a. Ilustrasikan proses yang dijalani hingga

menjadi inti stabil akhir dan b. tentukan energi yang dilepas.

Jawab

a. Proses awalnya [ ] nKrBaUUn 10

9036

14356

*23692

23592

10 3++→→+

Ba14356 kemudian memulai peluruhan beta

77

ν++→ −eLaBa 14357

14356

ν++ −eCe14358

ν++ −ePr14359

ν++ −eNd14360

Nd14360 adalah inti stabil. Kr90

36 memulai peluruhan beta

ν++→ −eRbKr 9037

9036

ν++ −eSr9038

ν++ −eY9039

ν++ −eZr9040

Zr9040 adalah inti stabil.Sehingga reaksi totalnya kemudian menjadi

[ ] ν883 10

9040

14360

*23692

23592

10 ++++→→+ −enZrNdUUn

b. Karena massa e dan v terlalu kecil, maka bisa diabaikan

[ ] MeVsmaMeVmmmmmQ nZrNdnU 6,197)/5,931(3 =−−−+=

10.3 REAKSI BERANTAI

Dalam reaksi yang sebenarnya tidak hanya ada satu uranium saja. Terdapat banyak

sekali uranium pada suatu bahan. Jika netron cepat tidak dikendalikan, netron hasil

pembelahan fisi sebelumnya akan menumbuk uranium berikutnya sehingga menghasilkan

reaksi fisi serupa. Dalam reaksi ini dihasilkan netron yang semakin banyak sehingga reaksi

akan terus berantai. Reaksi demikian dinamakan reaksi berantai. Energi yang dihasilkan

sangat besar.

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Berantai, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan konsep reaksi fisi berantai tak terkendali • Menjelaskan konsep reaksi fisi berantai terkendali

78

Gambar 10.3. Reaksi Berantai Tak Terkontrol

Dalam bom nuklir, netron cepat ini sengaja tidak dikendalikan sehingga

menghasilkan ledakan yang sangat dasyat. Namun, pada reaktor nuklir (PLTN), netron

cepat dikendalikan, sehingga tidak terlalu banyak netron yang terlibat dalam reaksi inti.

Gambar 10.4. Reaksi Berantai Trkontrol

NN

NN

NN

NN IInnttii UU--223355

:: NNeettrroonn NN

NN

NN

NN

NN

NN

NN

NN

NN

NN

NN

NN

NN

NN

NN

NNeettrroonn TTeerrsseerraapp

BBaattaanngg KKeennddaallii

BBaattaanngg KKeennddaallii NN

NN

NN

NNeettrroonn TTeerrsseerraapp

NN

NN

Fis

NN

79

Soal-soal:

1. Berapakah energi kinetik netron termal 300 K.

2. Hitunglah energi yang dibebaskan dalam reaksi fisi nCsRbnU 214193235 ++→+ . Massa

Rb dan Cs adalah 92,92172u dan 140,91949u.

3. Jelaskan mengapa dengan netron berenergi rendah sekali U235 sudah dapat terfisikan,

sementara untuk fisi U238 dibutuhkan netron cepat dengan energi 1 hingga 2 MeV

4. anggaplah U235 terbelah menjadi dua pecahan dengan nomor massa 90 dan 145,

dengan tiap pecahan memiliki nisbah Z/A yang kurang lebih sama seperti uranium.

Berdasarkan data ini, mengapa netron dipancarkan dalam reaksi ini.

5. Sekitar 185 MeV energi dilepas dari reaksi fisi U235 . Jika U235 di dalam reaktor

membangkitkan daya secara kontinyu sebesar 100 MW, berapa lamakah waktu yang

dibutuhkan bagi 1 kg uranium agar terpakai habis seluruhnya.

Biografi Singkat

HAHN (PEMBELAHAN INTI) Otto Hahn adalah ahli fisika-kimia penemu pembelahan inti (fisi nuklir, 1938),

penemu radioactinium (1905), mesothorium (1907), protactinium (1917) dan presiden Wilhelm Society (1948-1960). Bersama Fritz Strassmann ia mendapat Hadiah Nobel untuk kimia pada tahun 1944.

Hahn lahir di Frankfurt, Jerman pada 8 Maret 1879 dan meninggal di Gottingen, Jerman pada 28 Juli 1968 pada umur 89 tahun.

Ia berhasil mendapat gelar doktor pada tahun 1901 pada usia 22 tahun. Tiga tahun kemudian ia pergi ke Inggris karena ingin belajar bahasa Inggris. Ia

melamar pekerjaan dan diterima di Universitas College. Disini ia bertemu dengan Sir William Ramsay, ahli kimia penemu helium, neon, argon, kripton, xenon, dan radon. Hahn diberi tugas memurnikan penyiapan radium kasar. Ternyata Hahn seorang ahli eksperimen yang mengagumkan. Satu tahun kemudian ia menemukan zat radioaktif yang ia beri nama radiothorium (1905).

Pada tahun 1930-an Enrico Fermi, menembaki uranium (unsur alam yang paling berat) dengan neutron. Penembakan ini menghasilkan zat-zat radioaktif. Tapi Fermi sendiri tidak tahu apa nama unsur itu. Ia mengira unsur itu adalah unsur buatan yang mirip dengan uranium. Sejak tahun 1934 Hahn sangat tertarik dengan penelitian Fermi. Ia mengulang percobaan Fermi dengan pembantunya, Miss Meitner dan Strassmann. Mereka mengadakan penelitian selama 4 tahun. Mereka menembaki uranium dengan neutron dan menghasilkan barium, yaitu sebuah unsur yang mempunyai massa atom setengah dari uranium. Nomor atom barium 56, sedang nomor atom uranium 92. Penemuan ini diumumkan di majalah Die Naturwissen-schaften pada tanggal 6 januari 1939. Tapi Hahn dan Strassmann tidak berani mengatakan bahwa itu pembelahan inti, karena takut diejek dan ditertawakan para ahli fisika dan kimia sezamannya. Pada saat itu, pembelahan inti dianggap sesuatu yang mustahil.

Pada tahun 1938 ketika pembelahan inti ditemukan, Lise Metner pindah ke Swedia. Di Swedia ia membaca laporan Hahn. Bersama Otto Frisch, kemenakannya, ia menjelaskan dengan tegas, bahwa penemuan Hahn adalah fisi nuklir. Meitner dan Otto menyarankan agar istilah fisi nuklir dipakai. Semenjak saat itu, pembelahan inti dinamakan fisi nuklir.

80

ENRICO FERMI Enrico Fermi adalah ahli fisika nuklir, pengarang (200 artikel ilmiah) dan pemenang

Hadian Nobel. Ia menemukan statistik Fermi-Dirac, unsur baru yang radioaktif, reaksi berantai, reaktor nuklir (1942) dan ikut membuat bom atom. Ia mendapat Hadiah Nobel untuk fisika (1938) karena penyelidikannya tentang penyerapan neutron.

Fermi lahir di Roma, Italia, pada tanggal 29 September 1901. ayahnya bernama Alberto Fermi, karyawan kereta api. Ibunya bernama Ida de Gattis. Fermi anak bungsu, kakaknya dua orang. Salah seorang bernama Giulio. Dengan Giulio ini Fermi mempunyai kegemaran sama, ialah membuat mobil-mobilan dan pesawat terbang mainan yang benar-benar dapat terbang. Fermi sangat cerdas, tapi pendiam, pemalu dan suka menyendiri.

Pada umur 17 tahun ia masuk Universitas di Pisa dan pada umur 21 tahun berhasil meraih gelar doktor fisika. Pada umur 26 tahun ia diangkat menjadi profesor penuh di Universitas Roma. Dua tahun kemudian pada umur 28 tahun, ia kawin dengan Laura o Capon, mahasiswi jurusan teknik. Keluarga itu kemudian dikaruniai dua orang anak, Nella dan Giulio. Fermi memang orang yang mempunyai kecerdasan luar biasa. Kecuali itu, ia adalah orang yang serba teratur dan serba tepat. Pada tahun 1938 sesudah menerima Hadiah Nobel, Fermi sekeluarga terbang dari Swedia menuju Amerika Serikat. Di Amerika ia menjadi guru besar di Universitas Chicago. Di sini ia diberi tugas memimpin satu tim ilmuan untuk menyelidiki tenaga atom. Pada tahun 1942 Fermi beserta teman sekerjanya berhasil membuat reaktor atom, kemudian bom atom. Fermi meninggal di Chicago pada tahun 1954 karena sakit kanker.

WIGNER Eugene Paul Wigenr adalah ahli fisika penemu teori penyerapan neutron, penemu hukum

konservasi paritas dan pemenang Hadila Nobel. Ia lahir di Budapest, Hongaria pada 17 November 1902. Ia mendapat gelar insinyur kimia

dari Sekolah Tinggi Teknologi di Berlin dan mengajar di sana dan di Gottingen sampai tahun 1930. Kemudian ia pindah ke Universitas Princeton, AS. Pada tahun 1936 ia mengemukakan teori penyerapan nettron yang sangat berguna untuk membangun reaktor nuklir. Ia juga merumuskan hukum konservasi paritas, suatu fungsi matematika yang melukiskan partikel subatom dan posisi ruang dan waktunya.

Sejak kedatangannya di AS ia mengajar fisika matematika di Universitas Princeton selama 7 tahun. Kemudian ia menjadi guru besar di Universitas Wisconsin selama satu tahun, lalu kembali ke Princeton.

Pada tahun 1939 pecah perang dunia II, Wigner, Fermi dan Szilard membuat surat kepada presiden AS, Franklin D. Roosevelt. Surat ini ditanda-tangani Einstein bertangal 11 Oktober 1939. Prediden Roosevelt segera bertindak dan pada tahun 1942 Proyek Manhattan berdiri. Proyek ini bertugas untuk membuat bom atom. Selama perang dunia II, Wigner bekerja di Laboratorium Metalurgi, Universitas Chicago. Di sini Wigner membantu Enrico Fermi.

Sesudah Perang Dunia II Wigner menjadi direktur riset di Laboratorium Clinton di Oak Ridge, Tennessee. Di sini ia memproduksi isotop radioaktif. Pada tahun 1947 ia kembali ke Princeton. Dua tahun kemudian (1949) bersama Jensen, Wigner mengemukakan model kulit inti.

Pada tahun 1963 Wigner bersama Jensen dan Mayer mendapat Hadiah Nobel untuk fisika karena telah memberikan banyak sumbangan kepada fisika nuklir. Wigner juga mengadakan riset di bidang mekanika kuantum, teori reaksi kimia dan struktur inti atom.

81

XI. REAKSI FUSI

11.1 REAKSI FUSI

Dua inti ringan atau lebih dapat bergabung membentuk sebuah inti yang lebih berat.

Reaksi penggabungan dua inti ringan atau lebih menjadi inti yang lebih berat disebut

penggabungan inti atau fusi.

MeVQHHH e 8,2342

21

21 =→+

Dalam reaksi fusi ini, massa inti baru lebih kecil dari jumlah massa inti-inti

pembentuknya. Selisih massa ini muncul sebagai energi.

Gambar 11.1 Pelepasan Energi Reaksi Fusi

Untuk melakukan penggabungan dua inti atom atau lebih, dperlukan energi yang

sangat besar. Kedua inti yang akan digabungkan harus dipercepat dengan kecepatan yang

sangat tinggi agar bisa mengatasi gaya tolak Coulomb antara dua muatan positif dari

Sub-pokok Bahasan Meliputi: • Konsep Dasar Reaksi Fusi • Reaksi Fusi Matahari

• Reaktor Fusi Terkontrol

Nomor Mass A

Ener

gi ik

at p

er n

ukle

on (M

eV)

40 80 100 140 200 240

10

8

6

4

2

56Fe

Fusi

TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Fusi, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan konsep dasar reaksi fusi • Menjelaskan dan menghitung energi yang dihitung pada reaksi fusi

82

proton-proton inti. Tanpa kecepatan yang sangat tinggi (yang diperoleh dari suhu yang

sangat tinggi) kedua inti tidak akan dapat bergabung. Oleh karena itu, reaksi fusu

memerlukan suhu yang sangat tinggi dalam orde ratusan juta kelvin sehingga reaksi fusi

juga sering disebut reaksi termonuklir.

Reaksi fusi biasanya terjadi pada bintang-bintang. Reaksi fusi inilah yang membuat

matahari bersinar. Sejumlah ilman juga meyakini bahwa reaksi fusi adalah harapan masa

depan guna menghasilkan energi listrik dalam jumlah yang sangat besar.

11.2 REAKSI FUSI MATAHARI

11.2.1 Daur Proton

Reaksi fusi di matahari dapat terjadi melalui beberapa cara. Yaitu daur proton-proton

dan daur karbon-karbon.

Dalam daur proton, terdapat empat proton membentuk satu Helium. Karena matahari

tersususn dari hidrogen biasa, maka dua hidrogen bergabung menjadi satu dutrium, yaitu

dengan reaksi

ν++→+ +eHHH 0210

110

11

Proses ini melibatkan sebuah proton menjadi sebuah neutron, analog dengan proses

peluruhan beta.

Setelah diperoleh deuterium, reaksi berikutnya

γ+→+ 1320

110

21 HeHH

Yang disusuli reaksi

0112

421

321

32 2 HHeHeHe +→+

Sehingga proses keseluruhannya dapat dituliskan, dalam reaksi berikut ini

γν 2224 2420

11 +++→ +eHeH

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Fusi Matahari, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan daur proton-proton para reaksi fusi di matahari • Menjelaskan daur karbon-karbon pada reaksi fusi di matahari

83

Energi yang dibebaskan dalam reaksi ini (Q), harus ditambahkan empat elektron

pada ruas kiri untuk mendapatkan empat hidrogen netral. Dan menambahkan empat

elektron pada ruas kanan, 2 untuk menteralkan He dan 2 lainnya akan bergabung dengan-

Gambar 11.2 Daur Proton Reaksi Fusi di Matahari

positron menjadi sinar gamma. Satu-satunya massa yang tertinggal adalah empat atom

hidrogen dan satu atom helium. Sehingga Q yang dibebaskan sebesar

MeVuMeVxuux

uMeVxmmQ fi

7,26/5,931)002603,4007825,14(

/5,931)(

=−=

−=

Jadi, tiap reaksi membebaskan energi sekitar 26,7 MeV.

p

2

H 3H

4H

p

p

p

p

γ

p

2

H 3H

p p

γ

e

v e

• Setiap 1 siklus menghasilkan 26,7 MeV • Daya matahari yg sampai bumi 1,4x103 W/m2 • Jarak bumi-matahari 1,5x1011 m • Energi matahari untuk seluruh permukaan bola 4πr2 = 28x1022 m2 adalah 4x1026W

atau 2x109 MeV/s • Harus ada 1038 reaksi perdetik, mengkonsumsi 4x1038 proton perdetik • Massa matahari 2x1030kg, atau ada sekitar 1057 proton • Masih cukup untuk pembakaran milyaran tahun lagi

84

11.2.2 Daur Karbon

Meskipun daur proton sangat mungkin, tapi mungkin bukan sumber utama energi

matahari, karena dalam penggabungan dua proton menjadi deutrium berlangsung sangat

lama sebagaimana peluruhan beta. Sehingga daur itu kecil peluangnya. Untuk reaksi yang

berpeluang besar adalah daur karbon.

Gambar 11.3 Daur Karbon

Dari gambar 11.3 terlihat bahwa 12

2420

114 HeH →

C hanya berperan sebagai katalisator, tidak ada

karbon yang dihasilkan atau digunakan dalam reaksi ini. Kehadiran karbon disini

memungkinkan deretan reaksi berlangsung pada laju yang lebih besar daripada daur proton.

Reaksi total daur karbon tersebut

Sehingga nilai energi yang dibebaskan (Q) juga sama.

Hanya saja, tolakan Coulomb antara inti H dengan inti karbon lebih besar dibanding

dengan tolakan Coulomb diantara 2 inti H, maka energi termal yang dibutuhkan otomatis

lebih tinggi. Daur karbon menjadi sangat penting pada suhu sekitar 20 x 106

K.

p

13N 13C

4He

p

γ e+

13N

γ

15O

γ

12C

v

p

15N

p

12C

e+

85

11.3 REAKSI FUSI TERKENDALI

Para ilmuan sedang serius meneliti kemungkinan pembuatan reaktor fusi di bumi.

Bahan bakar reaktor fusi ini adalah deutrium. Deuterium merupakan isotop hidrogen yang

sangat melimpah dalam air laut. Dalam air laut mengandung sekitar 0,015 % D2

MeVQnHeHHMeVQnHeHHMeVQHHHH

6,173,30,4

432

322

1322

=+→+

=+→+

=+→+

O.

Sehingga jika dihitung dalam satu liter air laut akan menghasilkan energi setara 300 liter

bensin.

Ada beberapa reaksi yang mungkin digunakan

Reaksi ketiga yang dikenal sebagai reaksi D-T (deuterium-tritium) membebaskan

energi yang lebih besar dan mungkin merupakan calon terbaik bagi suatu reaktor fusi.

Persoalan teknologi paling sulit yang dihadapai

1. memperoleh suhu yang sangat tinggi dalam orde 108

• 1 MeV setara dengan 1,6 10

K untuk mengatasi tolakan

Coulomb

2. Mempertahankan rapat massa yang sangat tinggi sehingga probabilitas tumbukan

dua inti menjadi sangat tinggi.

Dewasa ini, ada dua metode bagi kedua persoalan ini yang masih teliti secara intensif,

yaitu pengungkungan magnet (magnetic confinement) dan pengungukungan lembam

(inertial confinement).

Contoh

Untuk menghasilkan daya 1 MW dari reaksi D-T, berapakah kg D dan T yang dibutuhkan?

Diketahui

Jawab -13 J

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaksi Fusi Terkendali, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan konsep reaktor fusi di bumi • Menjelaskan kemungkinan reaktor fusi buatan dan masalah yang dihadapi

86

• Satu reaksi fusi menghasilkan energi 17,6 MeV atau 17,6 x 1,6 x 10-13 J = 28,16 x 10-13

• 1 MW = 10

J 6

• Sehingga untuk menghasilkan 1 MW dibutuhkan reaksi setiap detiknya sebanyak R =

10

J/s

6/ (28,16 x 10-13)= 3,55 x 1017

• Dalam reaksi atom deuterium dan tritium habis digunakan.

reaksi.

• Nomor massa (A) untuk deutrium 2 atau 2 kg/kmol (1 kmol = 6,023 x 1026

•

atom)

skgxatomx

kmolxkmol

kgxs

atomxdtdm /1018,1)

10023,61()

12()1055,3( 9

2617 −==−

• Nomor massa (A) untuk tritium 3 atau 3 kg/kmol

• skgxatomx

kmolxkmol

kgxs

atomxdtdm /1077,1)

10023,61()

13()1055,3( 9

2617 −==−

Soal-soal:

1. Hingga suhu berapakah gas helium harus dipanaskan agar penghalang Coulomb

dapat dilampaui dan terjadi reaksi fusi.

2. Hitunglah reaksi fusi D-T membebaskan enerdi 17,6 MeV

3. Jika 100 cm3 air mengandung 0,015 persen D2

4. Hitunglah energi yang dibebaskan apabila tiga partikel alfa bergabung membentuk

O, hitunglah energi yang diperoleh

dalam reaksi-reaksi D-D.

C12 .

5. Dalam reaksi fusi daur karbon, hitunglah energi ketiga sinar gamma.

87

XII. REAKTOR NUKLIR

12.1 REAKTOR NUKLIR

Disamping sebagai senjata nuklir, manusia juga memanfaatkan energi nuklir untuk

kesejahteraan umat manusia. Salah satu pemanfaatan energi nuklir secara besar-besaran

adalah dalam bentuk pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN). Energi nuklir di sini

digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik.

Reaktor nuklir adalah tempat terjadinya reaksi inti berantai terkendali, baik

pembelahan inti (fisi) atau penggabungan inti (fusi). Fungsi reaktor fisi dibedakan menjadi

dua, yaitu reaktor penelitian dan reaktor daya.

Pada reaktor penelitian, yang diutamakan adalah pemanfaatan netron hasil

pembelahan untuk berbagai penelitian dan iradiasi serta produksi radioisotop. Panas yang

ditimbulkan dirancang sekecil mungkin sehingga panas tersebut dapat dibuang ke

lingkungan. Pengambilan panas pada reaktor penelitian dilakukan dengan sistem

pendingin,yang terdiri dari sistem pendingin primer dan sistem pendingin sekunder. Panas

yang berasal dari teras reaktor diangkut oleh air di sekitar teras reaktor (sistem pendingin

primer) dan dipompa oleh pompa primer menuju alat penukar panas. Selanjutnya panas

dibuang ke lingkungan melalui menara pendingin (alat penukar panas pada sistem

pendingin sekunder). Perlu diketahui bahwa antara alat penukar panas, sistem pendingin

primer atau sekunder tidak terjadi kontak langsung.

Sementara, pada reaktor daya, panas yang timbul dari pembelahan dimanfaatkan

untuk menghasilkan uap yang bersuhu dan bertekanan tinggi untuk memutar turbin.

Sub-pokok Bahasan Meliputi: • Reaktor Nuklir

• Komponen Reaktor Nuklir • PLTN dan Sistem Keselamatan • Pengolahan Limbah Radioaktif

TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Reaktor Nuklir, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan definisi reaktor nuklir • Menjelaskan jenis-jenis reaktor nuklir

88

12.2 KOMPONEN REAKTOR NUKLIR

Reaktor nuklir pertama kali dibangun oleh Enrico Fermi pada tahun 1942 di

Universitas Chicago. Hingga sat ini telah ada berbagai jenis dan ukuran rekator nuklir,

tetapi semua reaktor atom tersebut memiliki lima komponen dasar yang sama, yaitu:

elemen bahan bakar, moderator netron, batang kendali, pendingin dan perisai beton.

Gambar 12.1 Skema Dasar Reaktor Nuklir

12.2.1 Elemen Bahan Bakar

Elemen bahan bakar ini berbentuk batang-batang tipis dengan diameter kira-kira 1

cm. Dalam suatu reaktor daya besar, ada ribuan elemen bahan bakar yang diletakkan saling

berdekatan. Seluruh elemen bahan bakar dan daerah sekitarnya dinamakan teras reaktor.

Umumnya, bahan bakar reaktor adalah uranium-235. oleh karena isotop ini hanya

kira-kira 0,7% terdapat dalam uranium alam, maka diperlukan proses khusus untuk

memperkaya (menaikkan prosentase) isotop ini. Kebanyakan reaktor atom komersial

menggunakan uranium-235 yang telah diperkaya sekitar 3%.

8

7

6

4

3

1

2

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Komponen Reaktor Nuklir, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menyebutkan komponen utama reaktor nuklir • Menjelaskan kegunaan dan fungsi komponen-komponen reaktor nuklir

89

12.2.2 Moderator Netron

Netron yang mudah membelah inti adalah netron lambat yang memiliki energi sekitar

0,04 eV (atau leih kecil), sedangkan netron-netron yang dilepaskan selama proses

pembelahan inti (fisi) memiliki energi sekitar 2 MeV. Oleh karena itu , sebuah raktor atom

harus memiliki materaial yang dapat mengurangi kelajuan netron-netron yang energinya

sangat besar sehingga netron-netron ini dapat dengan mudah membelah inti. Material yang

memperlambat kelajuan netron dinamakan moderator.

Moderator yang umum digunakan adalah air. Ketika netron berenergi tinggi keluar

keluar dari sebuah elemen bahan bakar, netron tersebut memasuki air di sekitarnya dan

bertumbukan dengan molekul-molekul air. Netron cepat akan kehilangan sebagian

enrginya selama menumbuk molekula air (moderator) terutama dengan atom-atom

hidrogen. Sebagai hasilnya netron tersebut diperlambat.

12.2.3 Batang Kendali

Jika keluaran daya dari sebuah reaktor dikehendaki konstan, maka jumlah netron

yang dihasilkan harus dikendalikan. Sebagaimana diketahui, setiap terjadi proses fisi ada

sekitar 2 sampai 3 netron baru terbentuk yang selanjutnya menyebakan proses berantai.

Jika netron yang dihasilkan selalu konstan dari waktu ke waktu (faktor

multiplikasinya berniali 1), maka reaktor dikatakan berada pada kondisi kritis. Sebuah

reaktor normal bekerja pada kondisi kritis. Pada kondisi ini reaktor menghasilkan keluaran

energi yang stabil.

Jika netron yang dihasilkan semakin berkurang (multiplikasinya kurang dari 1), maka

reaktor dikatakan berada pada kondisi subkritis dan daya yang dihasilkan semakin

menurun. Sebaliknya jika setiap saat netron yang dihasilkan meningkat (multiplikasinya

lebih besar dari 1), reaktor dikatakan dalam keadaan superkritis. Selama kondisi superkritis,

energi yang dibebaskan oleh sebuah reaktor meningkat. Jika kondisi ini tidak dikendalikan,

meningkatnya energi dapat mengakibatkan mencairkan sebagain atau seluruh teras reaktor,

dan pelepasan bahan radioaktif ke lingkungan sekitar.

Jelas bahwa sebuah mekanisme kendali sangat diperlukan untuk menjaga reaktor

pada keadaan normal atau kondisi kritis. Kendali ini dilakukan oleh sejumlah batang

kendali yang dapat bergerak keluar-masuk teras reaktor. Lihat gambar 12.1.

Batang kendalli terbuat dari bahan-bahan penyerap netron, seperti boron dan

kadmium. Jika reaktor menjadi superkritis, batang kendali secara otomatis bergerak masuk

lebih dalam ke dalam teras reaktor untuk menyerap kelebihan netron yang menyebabkan

90

kondisi itu kembali ke kondisi kritis. Sebaliknya, jika reaktor menjadi subkritis, batang

kendali sebagian ditarik menjauhi teras reaktor sehingga lebih sedikit netron yang diserap.

Dengan demikian, lebih banyak netron tersedia untuk reaksi fisi dan reaktor kembali ke

kondisi kritis. Untuk menghentikan operasi reaktor (misal untuk perawatan), batang

kendali turun penuh sehingga seluruh netron diserap dan reaksi fisi berhenti.

12.2.4 Pendingin

Energi yang dihasilkan oleh reaksi fisi meningkatkan suhu reaktor. Suhu ini

dipindahkan dari reaktor dengan menggunakan bahan pendingin, misalnya air atau karbon

dioksida. Bahan pendingin (air) disirkulasikan melalui sistem pompa, sehingga air yang

keluar dari bagian atas teras reaktor digantikan air dingin yang masuk melalui bagin bawah

teras reaktor.

12.2.5 Perisai Beton

Inti-inti atom hasil pembelahan dapat menghasilkan radiasi. Untuk menahan radiasi

ini (radiasi sinar gamma, netron dan yang lain), agar keamanan orang yang bekerja di

sekitar reaktor terjamin, maka umumnya reaktor dikungkungi oleh perisai beton.

12.3 PEMBAKIT LISTRIK TENAGA NUKLIR

12.3.1 PLTN

Berdasarkan jenis pendinginnya, ada beberapa jenis reaktor. Dalam pembahasan ini

akan dibahas pembakit listrik tenaga nuklir yang menggunakan reaktor air bertekanan

(Pressurized Water Reactor = PWR).

Dalam PWR, kalor yang dihasilkan dalam batang-batang bahan bakar diangkut

keluar dari teras reaktor oleh air yang terdapat di sekitarnya (sistem pendingin primer). Air

ini secara terus-menerus dipompakan oleh pompa primer ke dalam reaktor melalui saluran

pendingin reaktor (sistem pendingin primer).

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan PLTN, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan cara kerja PLTN tipe PWR • Menjelaskan sistem keselamatan pada PLTN yang dirancang berlapis dan

cukup handal

91

Gambar 12.2. Digram PLTN Jenis PWR

Untuk mengangkut kalor sebesar mungkin, suhu air dikondisikan mencapai 3000C.

Untuk menjaga air tidak mendidih (yang dapat terjadi pada suhu 1000C pada tekanan 1

atm), air diberi tekanan 160 atm. Air panas diangkut melalui suatu alat penukar panas (heat

exchanger), dan kalor dari air panas dipindahkan ke air yang mengalir di sekitar alat

penukar panas (sistem pendingin sekunder). Kalor yang dipindahkan ke sistem pendingin

sekunder memproduksi uap yang memutar turbin. Turbin dikopel dengan suatu generator

listrik, tempat daya keluaran listrik menuju konsumen melalui kawat transmisi tegangan

tinggi. Setelah keluar dari turbin, uap didinginkan kembali menjadi air oleh pengembun

(condenser) dan kemudian dikembalikan lagi ke alat penukar panas oleh pompa sekuder.

12.3.2 Sistem Keselamatan

Sistem keselamatan operasi reaktor terutama ditujukan untuk menghindari bocornya

radiasi dari dalam teras reaktor. Berbagai usaha pengamanan dilakukan untuk melindungi

pekerja dan anggota masyarakat dari bahaya radiasi ini. Sistem keselamatan reaktor

dirancang mampu menjamin agar unsur-unsur radioaktif di dalam teras reaktor tidak

terlepas ke lingkungan, baik dalam operasi normal atau waktu ada kejadian yang tidak

diinginkan. Kecelakaan terparah yang diasumsikan dapat terjadi pada suatu reaktor nuklir

adalah hilangnya sistem pendingin teras reaktor. Peristiwa ini dapat mengakibatkan

pelelehan bahan bakar sehingga unsur-unsur hasil fisi dapat terlepas dari kelongsong bahan

bakar. Hal ini dapat mengakibatkan unsur-unsur hasil fisi tersebar ke dalam ruangan

penyungkup reaktor.

92

Gambar 12.3. Sistem Penghalang Ganda (Multiple Barrier)

Agar unsur-unsur hasil fisi tetap dalam keadaan terkungkung, maka reaktor nuklir

memiliki sistem keamanan yang ketat dan berlapis-lapis. Karena digunakan sistem berlapis,

maka sistem pengamanan ini dinamakan penghalang ganda. Adapaun jenis penghalang

tersebut adalah sebagai berikut:

1. Penghalang pertama adalah matrik bahan bakar nuklir. Lebih dari 99& unsur hasil

fisi akan tetap terikat secara kuat dalam matriks bahan bakar ini.

2. Penghalang kedua adalah kelongsong bahan bakar. Apabila ada unsur hasil fisi

yang terlepas dari matriks bahan bakar, maka unsur tersebut akan tetap

terkungkung di dalam kelongsong yang dirancang tahan bocor.

3. Penghalang ketiga adalah sistem pendingin. Seandainya masih ada unsur hasil fisi

yang terlepas dari kelongsong, maka unsur tersebut akan terlarut dalam air

pendingin primer sehingga tetap terkungkung dalam tangki reaktor.

4. penghalang keempat adalah perisai beton. Tangki reaktor disangga oleh bangunan

berbentuk kolam dari beton yang dapat berperan sebagai penampung air pendingin

apabila terjadi kebocoran.

5. Penghalang kelima dan keenam adalah sistem pengungkung reaktor secara

keseluruhan yang terbuat dari pelat baja dan beton setebal dua meter serta kedap

udara.

Bahan bakar (Pelet)

Kelongsong

Tangki reaktor

Perisai beton

Sistem penahan baja bertekanan

Sistem pengungkung/kubah beton

93

12.4 PENGELOLAAN LIMBAH RADIOAKTIF

12.4.1 Limbah Radioaktif

Limbah radioaktif merupakan hasil samping dari kegiatan pemanfaatan teknologi

nuklir. Dalam limbah radioaktif ini terdapat unsur-unsur radioaktif yang masih

memancarkan radiasi. Limbah radioaktif tidak boleh dibuang ke lingkungan karena radiasi

yang dipancarkan berpotensi memberikan efek merugikan terhadap kesehatan manusia.

Program pengelolaan limbah radioaktif ditujukan untuk menjamin agar tidak seorang

pun akan menerima paparan radiasi melebihi nilai batas yang dizinkan. Terdapat hal-hal

unik yang menguntungkan dalam rangka pengelolaan limbah radioaktif:

1. Sifat fisika dari zat radioaktif yang selalu meluruh menjadi zat stabil (tidak

radioaktif lagi). Karena terjadi peluruhan, maka jumlah zat radioaktif akan selalu

berkurang oleh waktu. Sifat ini sangat menguntungkan karena cukup hanya dengan

meyimpan secara aman, zat radioaktif sudah berkurang dengan sendirinya.

2. Sebagian besar zat radioaktif yang terbentuk dalam teras reaktor nuklir umumnya

memiliki waktu paro yang sangat pendek, mulai orde beberapa detik hingga

beberapa hari. Hal ini menyebabkan peluruhan zat radioaktif yang sangat cepat

yang berarti terjadi pengurangan volume limbah yang sangat besar dalam waktu

relatif singkat.

3. Saat ini telah berhasil dikembangkan berbagai jenis alat ukur yang sangat peka

terhadap radiasi. Dengan alat ukur ini keberadaan zat radioaktif skecil apa pun

selalu dapat dipantau.

14.4.2 Pengolahan Limbah Radioaktif

Secara keseluruhan, pengelolaan limbah radioaktif yang lazim dilakukan meliputi

tiga pendekatan pokok bergantung besar kecilnya volume limbah, tinggi rendahnya

aktivitas zat radioaktif serta sifat-sifat fisika dan kimia limbah tersebut. Tiga pendekatan

pokok itu meliputi

TUJUAN INTRUKSIONAL KHUSUS: Setelah mempelajari Sub-pokok Bahasan Pengelolaan Limbah Radioaktif, mahasiswa diharapkan dapat:

• Menjelaskan sifat-sifat limbah radioaktif hasil PLTN • Menjelaskan pengolahan limbah radioaktif • Mejelaskan penyimpanan limbah radioaktif yang sudah diolah

94

1. Limbah radioaktif dipekatkan dan dipadatkan yang pelaksanaannya dilakukan di

dalam wadah khusus untuk selanjutnya disimpan dalam waktu yang cukup lama.

Cara ini efektif untuk pengelolaan limbah radioaktif cair yang mengandung zat

radioaktif beraktivitas sedang dan atau tinggi.

2. Limbah radioaktif disimpan dan dibiarkan meluruh dalam tempat penyimpanan

khusus sampai aktivitasnya sama dengan aktivitas zat ardioaktif lingkungan. Cara

ini efektif jika dipakai untuk pengelolan limbah radioaktif cair atau padat yang

beraktivitas rendah dan berwaktu paroh pendek.

3. Limbah radioaktif diencerkan dan didispersikan ke lingkungan. Cara ini efektif

untuk pengelolaan limbah radioaktif cair atau gas beraktivitas rendah.

Dengan ketiga pendekatan itu diharapkan bahwa aktivitas limbah radioaktif yang

lepas ke lingkungan sama dengan aktivitas zat radioaktif yang secara alamiah sudah ada

pada lingkungan. Dengan cara itu faktor keselamatan manusia dan lingkungan tetap

merupakan prioritas utama dalam pemanfaatn teknologi nuklir.

14.4.3 Penyimpanan Lestari

Baik bahan bakar bekas yang tidak mengalami proses ulang maupun bahan-bahan

radioaktif sisa hasil proses olah ulang akan tetap diperlakukan sebagai limbah radioaktif.

Oleh karena itu, semua bentuk limbah radioaktif harus disimpan secara lestari.

Penyimpanan lestari limbah radioaktif secara aman merupakan tujuan akhir dari

pengelolaan limbah radioaktif.

Untuk mempermudah dalam proses penyimpanan lestari limbah radioaktif, maka

semua bentuk limbah diubah ke dalam bentuk padat. Limbah radioaktif cair yang terbentuk

diolah dengan proses evaporasi. Sistem ini mampu mengolah limbah radioaktif cair

menjadi konsentrat radioaktif dan destilat yang tidak radioaktif. Alat ini mampu mereduksi

volume limbah cair dengan faktor reduksi 50. Artinya, jika ada 50 m3 limbah cair yang

diolah, maka akan dihasilkan 1 m3 konsentrat radioaktif, sisanya menjadi air destilat yang

sudah tidak radioaktif.

Gas-gas yang terbentuk juga terkungkung dalam pengungkung reaktor. Gas ini

kemudian disaring melalui sistem ventilasi dengan filter yang berlapis-lapis. Setelah

dipakai untuk pengikatan radioaktif, filter tersebut selanjutnya diperlakukan sebagai

limbah padat

95

Gambar 10.4. Skema Pengelolaan Limbah Radioaktif

Pemadatan limbah radioaktif dimaksudkan agar limbah tersebut terikat dengan kuat

dalam suatu matriks padat sangat kuat. Matriks dirancang mampu bertahan hingga zat

radioaktif yang diikatnya meluruh mencapai kondisi radioaktifnya setara dengan radioaktif

lingkungan. Dengan pemadatan seperti ini maka zat radioaktif tidak akan terlepas ke

lingkungan dalam kondisi apa pun selama disimpan.

Proses pemadatannya bisa dilakukan dengan semen (sementasi), aspal (bitumenisasi),

polimer (polimerisasi), maupun bahan gelas (vitrikasi). Padatan limbah radioaktif

kemudian dimasukkan ke dalam kontainer yang dibuat dari baja tahan karat.

Reaktor nulir untuk pembangkit yang menghasilkan tenaga berdaya 1.200 MWe

setiap tahunnya menghasilkan limbah radioaktif padat berupa bahan bakar bekas sebanyak

30 tahun. Namun setelah diolah ulang dan dipadatkan, volume limbah hanya sebanyak 4

m3

Setelah mengalami penyimpanan selama 50 tahun di penyimpanan sementara,

kemampuan memancarkan radiasi dari limbah tersebut sudah sangat kecil. Selanjutnya

. Selanjutnya disimpan dalam penyimpanan sementara yang berukuran 50m x 50 m x 4

m. Tempat penampungan ini mampu menampung limbat padat yang berasal dari 10 reaktor

yang beroperasi selama 50 tahun.

FILTER

EVAPORASI

GAS

CAIR

PADAT

UDARA

• DIBAKAR

• DITEKAN

• DIISOLASI

S E M E N T A S I

96

dipindahkan ke tempat penyimpanan akhir (ultimate storage) yang berada di bawah

permukaan tanah. Tahapan penyimpanan akhir ini atau penyimpanan lestari merupakan

merupakan tahap akhir proses pengolahan limbah. Falsafahnya: zat radioaktif yang semula

diambil dari tanah (proses penambangan uranium), dikembalikan lagi ke dalam tanah

.

Gambar 10.5. Penyimpanan Lestari Limbah Radioaktif

Soal-soal:

1. secara rata-rata netron kehilangan setengah dari energinya setiap tumbukan dengan

proton-proton (dalam moderator). Berapa jumlah tumbukan yang dibutuhkan untuk

mereduksi energi netron dari 2 MeV menjadi energi termal sebesar 0,04 MeV

2. Hitunglah energi yang dilepaskan dalam reaksi fisi 1 kg uranium dengan

kelimpahan isotop U235 hingga 3 persen.

3. Taksirlah berapa jumlah fisi per detik yang harus terjadi sehingga PLTN

menghasilkan daya 100 MW. Asumsikan efisiensi pengubahan energi 50%.

4. Beberapa zat radioaktif hasil fisi yang umur parona relatif panjang, diantaranya

)1,2()1( 2/1134

2/1106 thntCsdanthntRu == . Setelah disimpan dalam kolam

penyimpanan 50 tahun, tinggal berapa persen masing-masing zat radioaktif tersebut

dibanding semula.

5. Berapa waktu yang dibutuhkan agar )28( 2/190 thntSr = untuk tereduksi 75%.

97

Biografi Singkat

DEMPSTER Arthur Jeffrey Dempster adalah ahli fisika penemu uranium, dan banyak isotop stabil

lainnya. Ia lahir di Toronto, Canada pada 14 Agustus 1886 dan meninggal di Stuart, Florida,

AS pada 11 Maret 1955. Setelah lulus dari Universitas Toronto (1910) ia pindah ke Jerman untuk meperdalam

keilmuannya. Setelah pecah Perang Dunia I, ia pindah ke AS. Ia mendapat gelar doktor (1916) pada usia 30 tahun dari Universitas Chicago dan menjadi guru besar fisika (1919) pada universitas tersebut sampai ajalnya. Pada tahun 1936 bersama Kenneth T. Bainbridge dan J.H.E. Mattauch, Demster membuat spektrograf massa berfokus ganda untuk mengukur massa inti atom. Alat ini berguna untuk menganalisis komposisi kimia dan untuk menentukan berjenis-jenis isotop pada suatu unsur.

Orang yang paling banyak menemukan isotop adalah Aston. Tapi anehnya Aston tidak menemukan isotop uranium-235, bahan bakar utama bom nuklir. Uraium-235 juga dipakai sebagai bahan bakar dalam reaktor nuklir untuk menghasilkan tenaga listrik.

SEGRE (PENEMU PLUTONIUM -239) Emilio Gino Segre adalah ahli fisika penemu neutron lambat (1935), astatine (1940),

antiproton (1955) dan pemenang Hadiah Nobel untuk fisika (1959) bersama Owen Chamberlain.

Ia lahir di Tivoli, Italia pada 1 Februari 1905. Ia murid Fermi dan mendapat gelar doktor dari Universitas Roma pada tahun 1928 pada umur 23 tahun. Mula-mula ia ingin menjadi insinyur, tapi karena terpengaruh oleh Fermi ia mengambil jurusan fisika.

Ia bekerja di bawah bimbingan Fermi pada waktu bekerja menembaki uranium dengan neutron. Pada tahun 1936 ia diangkat menjadi guru besar di Universitas Palermo. Pada tahun 1944 ia pindah ke AS.

Plutonium 239 dipakai dalam bom atom yang dijatuhkan di kota Nagasaki, jepang. Tapi yang mula-mula menarik perhatian Segre adalah unsur dengan nomor atom 43. Ia berusaha menemukan unsur ini sejak masih ada di Universitas Palermo. Ketika ia mengunjungi California pada tahun 1937 ia bertemu Lawrence. Lawrence memberi Segre unsur dengan nomor atom 42. Unsur ini bernama molybdenium. Segre kemudian menembaki molybdenium dengan deuteron. Ia menemukan unsur nomor 43 yang ia beri nama technetium, unsur buatan manusia yang pertama.

Pada tahun 1955 Segre bekerja sama dengan Chamberlain di Universitas California. Keduanya menggunakan bevatron untuk mempercepat proton hingga mencapai energi sebesar 6,2 bilyun elektron volt. Proton itu diarahkan ke balok tembaga, maka muncullah partikel-partikel sub atom, diantaranya terdapat antiproton.

DAFTAR PUSTAKA

1. Akhadi, M., Dasar-dasar Proteksi Radiasi, Penerbit Rineka Cipta, Jakarta, 2000

2. Cottingham, W. N. dan Greenwood, D.A., An Introduction to Nuclear Physics,

Cambridge University Press, United Kingdom, 2004

3. Gautreau, R dan Savin W., Schaum’s Outlines Fisika Modern (terjemahan),

Penerbit Erlangga, 2006

4. Jevremovic, T., Nuclear Principles in Engineering, Springer, Newyork, 2005

5. Klinken, G. V., Pengantar Fisika Modern, Penerbit Satya Wacana, Semarang, 1991

6. Krane, K.S., Fisika Modern (terjemahan), Penerbit Universitas Indonesia, Jakarta,

1992

7. Krane, K. S., Introductory Nuclear Physics, John Wiley & Sons, New York, 1988

8. Martin, B. R., Nuclear and Particle Physics: An Introduction, John Wiley & Sons,

West Sussex, 2006

9. Murray, R. L., Nuclear Energy: An Introduction to the Concepts, Systems and

Applications of Nuclear Processes, Buttherworth Heinemann, 2000

10. Sang, D., Nuclear and Particle Physics, Thomas Nelson & Sons Ltd, London, 1995

11. US Department of Energy, Nuclear Physics and Reactor Theory, Volume 1, 1993

12. US Department of Energy, Nuclear Physics and Reactor Theory, Volume 2, 1993

Biografi

Haryono A, Kamus Penemu, Penerbit Gramedia, Jakarta, 1986