BAB I SUSUNAN DAN SIFAT INTI
A. Susunan Inti
Menurut teori atom dari Rutherford-Bohr dan pengikutnya diketahui bahwa muatan positif inti atom terkukung dalam suatu daerah sangat kecil di pusat atom,
inti atom
memiliki muatan + Ze dan bahwa seluruh massa atom (99,9%) berasal dari inti atom. Ada beberapa hipotesa penyusun inti: (1) proton-proton; (2) proton-elektron; dan (3) protonnetron.
1. Hipotesa Proton-Proton
Hipotesa ini berdasarkan bahwa massa berbagai atom hampir mendekati kelipatan bulat massa hidrogen (atom paling ringan). Kita menyebut pengali bulat A ini, nomor massa. Atom Hidrogen memiliki satu elektron dan satu proton, inti atom Hidrogen terdiri dari suatu satuan muatan positif. Satuan mendasar ini adalah proton, muatannya + e, maka jika inti atom berat mengandung A buah proton maka ia memiliki muatan sebesar Ae, bukan Ze; karena A > Z untuk semua atom yang lebih berat daripada hidrogen, maka menurut hipotesa ini memberikan jumlah muatan positif yang lebih banyak kepada inti atom (tidak sesuai dengan percobaan)
2. Hipotesa Proton-Elektron
Menurut hipotesa ini inti atom juga mengandung (A-Z) buah elektron. Berdasarkan hal tersebut massa inti atom akan sekitar A kali massa proton (karena massa elektron diabaikan), maka muatan inti atom sama dengan A (+e) + (A-Z) (-e) = + Ze, sesuai percobaan Rutherford didukung pula adanya fenomena peluruhan partikel Beta. Tetapi hipotesa ini mengalami kegagalan, tidak dapat menjelaskan keberadaaan elektron di dalam inti. Kelemahan hipotesis Proton-Elektron :
a. Spin nuklir Ternyata ada ketidakcocokan antara besarnya nilai spin menurut teori dengan kenyataan pengukuran. b. Ukuran nuklir Pada umumnya jari nuklir berorde 10-15 m untuk membatasi partikel dalam daerah sekecil ini,menurut prinsip ketidakpastian, partikel itu harus memiliki momentum P > 1,1.10-20 kgms-1 untuk elektron dengan momentum sebesar ini akan bersesuaian dengan elektron berenergi 20 MeV. Kernyataan yang teramati pada elektron yang terpancar pada peluruhan , besar energinya hanya 2-3 MeV. c. Momen magnetik Momen magnetik proton besarnya 0,15% momen magnetik elektron, berarti jika ada elektron dalam inti maka besarnya momen magnetik inti harus berorde sama dengan momen magnetik elektron. Namun kenyataannya momen magnetik inti berorde sama dengan momen magnetik proton. d. Interaksi nuklir-elektron Hasil pengukuran menunjukkan bahwa gaya yang bereaksi antara partkel-partikel nuklir menghasilkan energi ikat beorde 8 MeV/partikel. Kenyataan bahwa ada elektron-elektron yang mengorbit pada inti ini sulit dimengerti, lagipula hanya ada interaksi listrik antara elektron dan inti.
3. Hipotesa Proton-Netron
J. Chadwick& Rutherford mengajukan hipotesis tentang netron, terhadap radiasi “misterius” yang ditemui oleh peneliti sebelumnya (Perc. W.Bothe & H. Becker, serta Irine Curie & Yuliot).
Polonium ditembak Alfa dan ditangkap Berelium, terpancar
radiasi “misterius”. Berdasarkan hipotesa ini ditemukan neutron, massanya massa proton, tidak bermuatan ( 01n ).
Massa inti didukung / sumbang oleh massa proton dan massa neutron. Hipotesa
ini dapat menerangkan peluruhan : n p e Q , momen magnetik inti disumbang oleh momen magnetik proton dan momen magnetik neutron, hal ini sesuai dengan hasil pengukuran.
Contoh analisis hipotesa proton-elektron dan hipotesa Proton-Neutron untuk inti atom 14
7
N
14
7
N
(p-e)
Partikel Penyusun inti Proton
Muatan partikel + 14
Massa partikel 14
Jumlah partikel berspin 14
-7
0
7
Jumlah
7
14
21
Proton
+7
7
7
Neutron
0
7
7
Jumlah
+7
14
14
Elektron
p-n
Yang diterima
Menurut model proton-neutron, sebuah inti atom terdiri atas Z proton dan (A-Z) netron yang memberi muatan total + Ze dan massa total sebesar A karena massa proton dan neutron kurang lebih sama. Keduanya dikelompokkan sebagai nukleon.
B. Sifat Inti
Sifat nukleon berturut-turut: Proton-neutron: muatan (+e, 0); massa energi (938,28 MeV; 9 39,57 MeV), spin (½ , ½). Sifat kimia suatu unsur tertentu bergantung pada nomor atom Z, tidak pada nomor massa A. Inti-inti atom dengan Z sama tetapi A berbeda disebut isotop. Inti-inti atom dengan A sama, tetapi Z berbeda disebut Isobar. Dan inti-inti atom dengan jumlah neutron (N) sama disebut isoton. Isotop ditunjukkan dengan lambang kimia
A Z
X N
dengan
X = lambang kimia A = nomor massa = Z + N Z = nomor atom N = nomor neutron
Contoh isotop hidrogen
: 11 H 0 ; 12 H 1 ; 13H 2
Contoh isobar
: 37 Li & 47 Be, serta
233 90
Th &
233 92
U
a. Jari-jari inti
Inti atom harus diperlakukan dengan cara yang sama seperti elektron, meskipun tidak ada orbit proton ataupun neutron. Inti atom berbentuk bola padat (walaupun ada yang agak pipih) berisi proton dan neutron. (i) Gaya inti (gaya interaksi antar proton dan neutron /nukleon) mengatasi gaya tolak Coulomb. Gaya inti ini menyebabkan proton dan neutron terkumpul pada daerah pusat, padahal rapat inti atom relatif konstan jadi terdapat suatu mekanisme lain yang mencegah inti mengerut ke pusat atom. (ii) Kerapatan inti atom tidak bergantung pada nomor massa A. Inti atom ringan memiliki kerapatan yang kurang lebih sama dnegan inti atom berat. Dengan perkataan lain, jumlah neutron dan proton tiap satuan volume kurang lebih tidak berubah di seluruh daerah inti. Dapat dinyatakan : jumlah neutron dan proton
A
4 3
volume inti
R 3
~ konstan
1
3
Jadi A R atau R
A3 1
Dengan mendefinisikan tetapan kesebandingan Ro , maka jari-jari inti Tetapan Ro diperoleh melalui percobaan, antara lain : -
Hamburan alfa, Ro = 1,414 F
-
Peluruhan alfa, Ro = 1,48 F
-
Hamburan netron cepat, Ro = 1,37 F
-
Hamburan elektron, Ro = 1,26 F
= 0 3
(Ro mempunyai rentang 1,0 F – 1,5 F) F = Femi, 1 F = 10-15 m atau F = fm = femtometer Kerapan inti suatu bahan = int i =
M V
M = massa inti didekati nomor massa A = 1,66 . 10 -27 A Kg V = volume inti =
4 3
R 3 = 1,12 . 10-45 Am3.
Dengan menyesuaikan satuan M dalam kg dan V dalam m3. Kerapatan ini rata-rata suatu bahan adalah :
int i
1,66.10
27
1,12.10
A kg
45
Am
3
1,49 .1018 kg m -3
Nilai ini menunjukkan bahwa rapat inti suatu bahan jauh lebih besar (kelipatan 1015) dari rapat massa suatu bahan.
Kestabilan inti:
Salah satu parameter yang menentukan kestabilan inti adalah perbandingan antara jumlah proton dengan jumlah proton. Inti atom akan stabil jika memiliki
N Z
~ 1.
Untuk mengetahui kestabilan inti dapat dilihat pita kestabilan inti, yaitu grafik / gambar hubungan antara jumlah proton dengan jumlah netron. Berikut ini :
Gambar 1. Lingkaran-lingkaran terisi menyatakan inti-inti stabil dan lingkaranlingkaran terbuka menyatakan inti-inti radioaktif. Perhatikan, misalnya, bahwa Xenon (Z=54) mempunyai 26 isotop, 9 di antaranya stabil dan 17 radioaktif. Setiap isotop Xenon mempunyai 54 proton dan 54 elektron ekstra nuklir untuk atom-atom netral). Banyaknya neutron berkisar antara N = 64 sampai N = 89 dan nomor massa. A berkisar antara 118 sampai 143, tidak ada elemen lain yang mempunyai isotop sebanyak itu.
Dari gambar 1 dapat diketahui bahwa untuk inti ringan Z ~ 20 (jumlah proton sampai dengan 20) perbandingan
N Z
~ 1 . Untuk inti yang lain nilai
N Z
1
.
Spektrometer Massa
Massa inti atom dapat diukur dengan mengukur massa atomnya. Alat spektrometer massa merupakan alat untuk mengukur massa ion, spektrometer dari Bainbridge digambarkan sebagai berikut: A = Sumber ion.
Muatan = +Ze
M = Massa ion V = kecepatan ion bervariasi S = Nozzle
G
Di daerah I : Perjalanan ion-ion dari sumber ion melewati daerah pengosongan (evacuates), persilangan medan listrik (E) dan medan magnetic (B) sebagai filter kecepatan. Ion yang dapat lolos dari S dengan kecepatan v, terpenuhi jika besarnya gaya listrik sebanding dengan gaya magnet. Flis = Fmag ZeE = Ze vB v=
E B
Setelah melewati daerah II (S) ion dengan kecepatan V akan mengalami gaya magnet yang besarnya sebanding dengan gaya sentripetal : FL = FS Ze v B = M
v
2
R
M=
R B 2 Ze E
Dengan mengatur E & B, serta mengukur R (jari-jari lintasan ion), massa ion (M) dapat ditentukan ( Z=1, untuk ion tunggal). Petunjuk 1 volt = 108 emu; q = 1,602 . 10-20 emu H = 1000 gauss
Energi Ikat Inti Atom
Pada inti stabil (mantap) terdapat perbedaan antara massa suatu inti dengan massa penyusun inti (nukleon). Perbedaan ini disebut “defect mass” menjadi energi ikat inti atom. Kita dapat memandang energi ikat sebagai energi “tambahan” yang diper oleh ketika membentuk sebuah atom dari semua partikel penyusunnya atau energi yang harus dipasok untuk memisahkan atom menjadi komponen-komponen. Hubungan massa atom dan massa inti atom adalah : M (atom) = m (inti atom) + Z.me + energi ikat elektron M (A, Z) = m + Z.me + E ikat elektron Jika diabaikan energi ikat elektron dalam atom hidrogen, maka dapat dituliskan Energi Ikat (Binding Energy) : B(A, Z) = [Zm p + Nmn + Zme – M(A,Z)]C2 = [ZmH + Nmn – M (A,Z)]C2 Energi ikat pernukleon MeV/nukleon B A, Z
B A, Z A
Grafik hubungan antara
B
(A,Z) dengan A (nomor massa) berbagai inti adalah sbb:
Gambar 2. Energi ikat pernukleon sebagai fungsi dari nomor massa Dari gambar di atas, dapat diketahui: 1) A kecil,
B
(A,Z) rendah dan naik secara cepat dengan naiknya A
2) A diskeitar 50: terdapat nilai maksimum yang mendatar dengan MeV/nukelon dimikili oleh inti besi
B
(A,Z) 8,8
56 26
Fe dan inti-inti didekatnya merupakan inti
termantap yang ada di alam. Untuk A 140,
B
(A,Z) turun menjadi 8,4 MeV/nukleun
3) Diatas A = 140, nilai
B
(A,Z) turun menjadi 7,8 MeC/nukleon
Kecilnya nilai ( B , Z ) pada A kecil disebabkan karena adanya efek permukaan dan turunnya
B
(A,Z) pada A besar (A> 190) disebabkan oleh adanya efek gaya Coulomb.
Inti stabil pada umumnya mempunyai N genap, Z genap. Sebaran (N,Z) sebagai berikut : N
Genap
Ganjil
Genap
Ganjil
Z
Genap
Genap
Ganjil
Ganjil
Jml Inti
160
53
49
5
Contoh : (N,Z) ganjil ganjil 2 1
H ; 36 Li, 105 B; 147 N ;
180 73
Io
