Susunan Inti Atom
Fisika Inti adalah materi yang membahas tentang partikel-partikel pembentuk inti atom adalah proton dan neutron. Kedua partikel pembentuk inti atom ini disebut juga nukleon.
Semua inti atom pada dasarnya tersusun atas :
Proton yaitu partikel bermuatan positif dengan massa satu satuan massa atom.
Neutron yaitu partikel tak bermuatan (netral) dengan massa satu satuan massa atom. Jadi massa suatu atom terkonsentrasi pada inti atom.
Secara umum lambang atom dituliskan:
ZXA
A = nomor massa Z = jumlah proton dalam inti = jumlah elektron di kulit terluar N = A - Z = jumlah neutron di dalam inti atom
Dalam inti atom, ada beberapa istilah yang perlu kita ketahui sobat, diantaranya :
ü Isotop, yaitu inti-inti yang memiliki nomor atom sama
ü Isoton, yaitu inti-inti yang memiliki jumlah netron sama
ü Isobar, yaitu inti-inti yang memiliki nomor massa sama
Sedangkan inti atom juga memiliki massa, tapi massa inti atom selalu lebih kecil dari jumlah massa nukleon penyusunnya.
Mp + Mn > Minti atom
A. STRUKTUR INTI ATOM
Untuk mengetahui distribusi muatan positif dan negatif dalam atom, maka Rutherford melakukan eksperimen hamburan partikel alpha. Adapun eksperimen tersebut adalah sebagai berikut, partikel alpha dilewatkan dan kolimator dan ditumbukkan pada suatu lapisan logam tipis. Sebagian partikel diteruskan dan sebagian dihamburkan (dibelokkan). Partikel alpha yang terhambur disebabkan oleh gaya elektrostatik antara muatan positif dari partikel alpha dengan muatan positif dan negatif dari atom penyusun lapisan logam tipis. Hamburan dengan sudut 90 0 disebabkan oleh proses hamburan tunggal dengan medan listrik yang kuat. Dan hasil eksperimen ini dapat disimpulkan bahwa muatan positif dan bagian terbesar dan massa atom terkonsentrasi pada bagian yang sangat kecil, yang kemudian dikenal dengan inti atom. Jumlah elektron yang mengimbangi muatan positif dan atom penyusun lapisan logam tipis diperkirakan terdistribusi mengelilingi dimensi atom. Gaya antara partikel alpha dengan muatan positif atom adalah dimana : Z.e Zα.e d : muatan pada pusat atom : muatan partikel alpha : jarak antar keduanya Rutherford menjelaskan bahwa jejak partikel alpha dalam medan inti adalah berbentuk hiperbola dengan inti sebagai fokus eksternalnya. Persamaan hamburan untuk menentukan jumlah partikel alpha yang terhambur telah diturunkan dan eksperimen tersebut. dimana : jumlah partikel alpha yang bertumbukan : tebal lapisan logam : jumlah inti tiap volume penghambur : massa partikel alpha : laju awal partikel alpha : sudut hamburan : jarak dan titik hambur
B. KOMPOSISI INTI ATOM
Eksperimen Rutherford dapat dijelaskan tentang model inti, penentuan muatan inti dan ukuran inti atom. Karena muatan dalam inti merupakan kelipatan eksak dan muatan proton dan massa inti merupakan kelipatan eksak dan massa proton, maka dianggap bahwa semua inti tersusun dan proton. Jika ada inti bernomor supaya muatan positifnya menjadi Z. Hipotesis proton-elektron ini memiliki kelemahan, yaitu elektron yang terdapat di dalam inti harus memiliki panjang gelombang de Brogue ( = h/mv) yang tidak boleh lebih besar daripada ukuran inti (10-12 cm). Pada kenyataannya, elektron dengan panjang gelombang de Broglie mi memiliki energi kinetik yang lebih besar daripada partikel beta yang dipancarkan dan inti atom. Oleh karena itu hipotesis proton-elektron menimbulkan keraguan bahwa elektron bebas merupakan partikel penyusun inti atom.
Pada tahun 1932, J. Chadwick menemukan neutron, yaitu partikel yang memiliki muatan nol atau netral dan massanya mendekati massa proton. Karena hipotesis electron proton tidak dapat menjelaskan beberapa sifat inti, maka segera ditinggalkan sesudah penemuan neutron ditinggalkan sesudah penemuan neutron. Sejak saat itu mulai dipercaya bahwa inti terdiri dan neutron. Jumlah proton dalam inti disebut sebagai nomor atom (Z). Jumlah neutron dalam inti disebut sebagai jumlah neutron (N). Jumlah dan banyaknya proton dan neutron disebut sebagai nomor massa (A). A=Z+N (1-3) Simbol yang digunakan untuk menunjukkan jenis inti adalah simbol kimia dan unsur tersebut dengan nomor atom di tulis sebagai subscrip kiri dan nomor massa sebagai superscrip, misalnya memiliki nomor atom 2 dan nomor massa 4.
C. SIFAT-SIFAT INTI ATOM
1) Massa dan Energi
Massa inti atom sangat kecil jika dinyatakan dengan satuan massa biasa, yaitu kurang dan gram. Oleh karena itu harus dinyatakan dengan satuan yang berbeda. Satuan yang diakui secara universal adalah didasarkan pada massa atom 12 C yang berada dalam keadaan netral dan tingkat energi dasar. Satuan yang dimaksud adalah sma (satuan massa atom) atau amu (atomic mass unit). 1 sma = ½ massa atom 12 C 1 kg atom (kg mol) 12 C = 12 kg, sehingga 1 gram atom (1 gram mol) 12 C = 1 mol = kg 1 gram atom 12 C = atom / molekul 1 sma = Dari kesetaraan massa dan energi (E = mc 2 ), maka 1 sma setara dengan energi sebesar 1, joule.
Dalam sistem atom, energi pada umumnya dinyatakan dalam satuan elektron volt (ev). Satu elektron volt didefinisikan sebagai energi yang diperoleh satu elektron yang bermuatan 1, coulomb setelah menempuh beda potensial sebesar 1 volt, atau 1 ev = 1, joule 1 sma = 1, kg = 1, joule = 9, ev = 931, 48 MeV
Massa dari berbagai elemen atom diketahui lebih besar dan berat atom. Sebagai contoh isotop oksigen 16 O terdapat 8 proton, 8 neutron dan 8 elektron; jumlah massanya sama dengan 16,132 amu, sedangkan berat atomnya sebesar 15,99491 amu.
Isotop oksigen 16 O lebih ringan 0,13709 amu dan elemen penyusun.
Perbedaan antara total massa proton, neutron dan elektron secara individu dengan massa atom disebut mass defect.
Persamaan untuk mass defect adalah mass defect = Z.m h + (A-Z). m n M (1-4) dimana, Z : nomor atom M : massa atom hidrogen M : massa neutron A-Z : nomor neutron M : berat atom 4 Jika berat atom pada persamaan di atas diganti dengan massa inti, maka massa atom hidrogen harus diganti massa proton.
2) Energi Ikat
Energi ikat inti adalah energi yang dilepaskan jika penyusun inti bergabung membentuk inti. Energi dengan jumlah yang sama akan diperlukan untuk memecah inti atom menjadi elemen penyusun, karena itu energi yang ekivalen dengan mass defect digunakan sebagai ukuran dan energi ikat inti.
Apabila m h, m n dan M dinyatakan dalam satuan massa atom (amu), maka energi ikat inti dinyatakan dalam satuan MeV, dengan persamaan berikut: Suatu atom yang massanya M (A,Z) dengan Z adalah jumlah proton dan N adalah jumlah neutron dalam keadaan bebas memiliki energi diam (rest energy) sebesar, RE = Z.m p.c 2 + N.m n.c 2 + Z.me.c 2 (1-5).
Energi ikat nucleon A = Z + N dalam inti tersebut adalah B(A,Z) = Z.m H.C 2 + N.M N.C 2 M (A,Z).C 2 (1-6)
Energi ikat rata rata per nucleon adalah Mass defect untuk isotop 160 adalah 0,13709 sma, dengan demikian energi ikatnya adalah 931,4 x 0,13709 MeV = 127,68 MeV Karena ada 16 nukleon di dalam inti 16 O, maka energi ikat rata-rata dan 16 O adalah 127,68/16 atau 7,06 MeV/nukleon. Untuk inti-inti ringan energi ikat per nukleon relatif kecil, sekitar 7,4 sampai dengan 8,7 MeV/nukleon dan akan bertambah (naik) dengan bertambahnya nomor massa, akan mencapai nilai maksimum mendekati 8,8 MeV (nukleon dalam rentang nomor massa 40 sampai dengan 120. Untuk nomor massa yang lebih besar, energi ikat per nukleon akan berkurang sampai dengan 7,6 MeV/nukleon (untuk uranium).
3) Radius (Ukuran dan Bentuk)
Semua eksperimen yang dilakukan untuk menentukan radius inti menunjukkan bahwa perkiraan secara kasar untuk radius inti adalah 5 dimana, r A : konstanta yang tidak tergantung pada A (sekitar1, 1 sampai dengan 1,6 fm) : nomor massa Dengan demikian volume inti sebanding dengan massa inti, sehingga semua inti memiliki densitas yang hampir sama. Bentuk inti atom tidak selalu bulat (sferis) tetapi dapat berbentuk oblate (I A =I B < I C ) atau prolate (I A <I B = I C ) seperti bola rugby. Inti yang memiliki jumlah proton genap dan neutron juga genap selalu berbentuk bulat (sferis). Inti dengan nomor massa (A) ganjil dapat berbentuk oblate atau prolate.
4) Tingkat Energi Inti
Seperti elektron atom, inti atom juga berada di beberapa tingkat energi, dengan perbedaan celah energi antara tingkat-tingkat inti lebih besar dibandingkan tingkat-tingkat elektronik. Pada umumnya, energi pemisahan dan tingkat-tingkat inti berorde juta ev. Jika (E2-E1) sebesar 1 MeV atau 10 6 ev, maka panjang gelombang radiasi dari transisi tersebut adalah 1,2 x 1012 cm. Panjang gelombang tersebut berhubungan dengan panjang gelombang sinar X sangat pendek atau sinar gamma panjang. Dengan demikian sinar gamma dipancarkan karena transisi inti dan tingkat energi lebih tinggi ke tingkat lebih rendah. Ciri penting dan tingkat eksitasi adalah energi yang dipancarkan tidak benar-benar tajam, spektrum energinya berupa pita bukan garis. Hal ini untuk memenuhi prinsip ketidakpastian Heisenberg, yaitu ketidakpastian pengukuran waktu berhubungan dengan ketidakpastian pengukuran energi. Jika keadaan inti tersebut tidak stabil dengan waktu hidup rata-rata, maka energinya tidak memiliki nilai tertentu, hanya tingkat dasar yang memiliki = akan berenergi mutlak tepat. Ketidakpastian energi ini diukur dengan level width dan hubungannya dengan adalah didefinisikan sebagai berikut, jika E adalah energy di pusat pita (yaitu energy dengan probabilitas paling besar), maka energi seebsar E + ½ akan terjadi ½ kali energi E.
5) Spin Inti dan Paritas
Neutron dan proton yang menjadi penyusun inti bukan merupakan partikel stasioner. Seperti bumi kita, partikel-partikel tersebut juga memiliki spin (intrinsik) dan gerakan orbital. Spin (intrinsik) dan momentum angular orbital neutron dan proton secara individu di dalam inti bergabung memberikan resultan momentum angular yang disebut sebagai spin inti, biasanya dilambangkan dengan I. Spin inti dengan nomor massa ganjil adalah : I = ½, 3/2, 5/2, 7/2, dll.
Spin inti dengan nomor massa genap adalah : I = 0, 1, 2, 3, 4, dll Spin inti dengan nomor massa genap yang berada di tingkat dasarnya adalah 0 atau 1. Apabila semua koordinat yang menggambarkan partikel dalam sistem diubah (termasuk 3 koordinat ruang dan spin) menjadi koordinat yang menggambarkan partikel yang identik lainnya di dalam sistem, maka besarnya (magnitude) fungsi gelombang yang mewakili sistem haruslah bernilai tetap, tetapi fungsi gelombang kemungkinan berubah tanda atau tetap (tanda tidak berubah). Jika fungsi gelombang berubah tanda pada saat seluruh koordinat ruang dibalik (berlawanan), maka inti disebut memiliki paritas ganjil. Sebaliknya, jika tanda tidak berubah maka inti dikatakan memiliki paritas genap. Sebagai contoh : 2+ artinya inti memiliki spin 2 dan paritas genap; ½ - artinya inti memiliki spin ½ dan Paritas ganjil. dimana : : momen magnetic e : muatan listrik h : konstanta Planck m : massa rehat electron c : kecepatan cahaya Momen magnetik elektron disebut satu magneton Bohr. Momen magnetik proton dapat juga ditentukan dengan persamaan di atas tetapi massa elektron diganti dengan massa proton. Karena proton memiliki dimensi 1836 lebih berat daripada elektron, maka momen magnetiknya 1836 kali lebih kecil danipada elektron. Momen magnetik proton disebut satu magneton inti. Momen magnetic inti berorde satu atau beberapa magneton inti. Sifat-sifat magnetik elektron digunakan sebagai dasar kerja Electron Spin Resonance (ESR) dan sifat-sifat magnetik inti digunakan sebagai dasar kerja spektrometer Nuclear Magnetic Resonance (NMR).
TUGAS
1. Jelaskanlah Struktur Inti atom
2. Jelaskanlah Komposisi inti atom
3. Jelaskanlah sisfat-sifat inti atom
コメント