Fisika Inti

1. Pendahuluan Fisika Inti
La Tahang
 Radioaktivitas
12/6/2011 1

2. Pandangan Fisika Klasik
 Jika inti atom mengalami peluruhan alfa atau
beta, maka nomor atom Z berubah dan inti
berubah menjadi inti baru. Hal ini berarti bahwa
unsur tidak tetap.
 Energi yang dihasilkan pada peluruhan radioaktif
berasal dari inti individu tanpa eksitasi internal,
berbeda dengan radiasi atomik.
 Gejala peluruhan radioaktif merupakan kejadian
statistik, yang memenuhi teori kemungkinan
(peluang/probabilitas).
12/6/2011 2

3. Radioaktivitas
 Fenomena radioaktivitas pertama kali dikemukan
oleh Henry Becquerel (1896), yang diawali oleh ide
Roentgen (1895), yang berhasil mendeteksi sinar-X
dengan fluorisensi.
 Penemuan radioaktivitas selanjutnya oleh Pierre
dan Marie Curie pada saat mengekstraksi Uranium
dari bahan tambang, yaitu Polonium dan Radium.
 Radioaktivitas merupakan proses pemancaran
spontan partikel radiasi (spontaneous emission of
radiation )
 Berdasarkan eksperimen diperoleh kesimpulan
bahwa radioaktivitas merupakan hasil
peluruhan (decay) atau disintegrasi dari inti-
inti tak stabil (unstable nuclei).
12/6/2011 3

4. Tipe-Tipe Radiasi
Rutherford dan rekan-rekannya berhasil membedakan tiga
jenis radiasi yang dipancarkan oleh nuklida, yaitu :
 Alpha particles
 Partikel Alfa merupakan inti Helium ( 4He )
 Beta particles
 The particles berupa elektron ( -) atau positron ( +)
 Positron merupakan antipartikel dari elektron
 Positron serupa dengan elektron, tetapi bermuatan +e
 Gamma rays
 Sinar gamma merupakan foton berenergi tinggi
12/6/2011 4

5. Nuclear Stability
Proton unstable
Stable nuclei
Neutron unstable
12/6/2011 5

6. Nuklida Stabil Semua Nuklida yang dikenal
12/6/2011 6

7. Peluruhan Radioaktif
 Berdasarkan hasil eksperimen peluruhan radioaktif mengikuti hukum
eksponensial.
 Peluruhan merupakan kejadian/peristiwa statistik murni. Hal ini
berarti kita tidak dapat memprediksi atom mana yang akan meluruh
pada detik berikutnya.
 Atom yang ada mempunyai probabilitas akan meluruh pada detik
berikutnya sebesar .
 Asumsi dasar pada teori statistik bahwa probabilitas peluruhan tidak
bergantung pada waktu dan jumlah inti/atom yang masih ada.
 Pada selang waktu dt, probabilitas peluruhan sebuah atom sebesar
dt.
 Jumlah partikel radiaoktif yang meluruh dalam selang waktu tertentu
sebanding dengan jumlah total partikel dalam sampel bahan radioaktif
tersebut :
dN dt N
 λ disebut kontanta peluruhan (decay constant/disintegration) dan
menentukan kecepatan material tersebut meluruh.
 Tanda minus berarti bahwa N berkurang terhadap waktu.
12/6/2011 7

8. Kurva/Grafik Peluruhan
Integral persamaan di atas
tersebut menghasilkan :
t
N N0e
Waktu paro (half-life)
didefinisikan sebagai waktu
yang diperlukan untuk
meluruh separoh dari atom
yang ada :
ln 2 0.693
T1 2
12/6/2011 8

9. Aktivitas
Laju peluruhan atau aktivitas, A, dari sampel radioaktif
didefinisikan sebagai jumlah peluruhan per detik, yaitu :
dN t
Aktivitas A Noe N
dt
t
At Ao e
 Umur rata-rata (Average/Mean Life)
Bentuk eksponensial peluruhan radioaktif mengindikasikan bahwa
semua atom akan meluruh secara sempurna dalam waktu tak
berhingga. Oleh karena itu tiap atom individual mungkin
mempunyai umur dari nol sampai dengan tak berhingga.
Berdasarkan fenomena statistik alamiah ini didefiniskan kuantitas
umur rerata (average atau mean life, ).
12/6/2011 9

10. Umur Rata-rata
Umur rata-rata didefinisikan sebagai :
t1 dN1 t 2 dN 2 t 3 dN 3 ....
dN 1 dN 2 dN 3 .....
Dalam bentuk integral, dituliskan sebagai :
No No
t dN t dN
0 0
No
N0
dN
0
0
t
t Noe dt
t 1
te dt
N0 0
12/6/2011 10

11. Soal
Jika mula-mula terdapat 0,5 gram zat radioaktif murni,
dan 12 jam kemudian masih tersisa 0,125 gram zat
yang masih radioaktif, berapakah!
 Waktu paro (T1/2) unsur radioaktif tersebut
 Konstanta peluruhan ( )
 Aktivitas, mula-mula dan aktivitas pada t = 12 jam
 Umur rata-rata
 Jumlah atom/inti yang masih radioaktif, setelah 12 jam meluruh,
diketahui MR = 235 dan NA= 6,02 x 1026 atom/mol
12/6/2011 11

12. Satuan Peluruhan
Satuan aktivitas radioaktif, A, adalah Curie, Ci
 1 Ci = 3.7 x 1010 peluruhan/sekon
Satuan Internasional (SI) aktivitas adalah Becquerel, Bq
 1 Bq = 1 peluruhan/ sekon
Jadi, 1 Ci = 3.7 x 1010 Bq
Satuan aktivitas yang secara umum sering digunakan
mCi dan µCi
12/6/2011 12

13. Aturan Umum Proses Peluruhan
 Proses perubahan suatu unsur menjadi unsur lain,
dinamakan peluruhan spontan (spontaneous decay)
atau transmutasi (transmutation)
 Nomor massa unsur, A, kedua ruas persamaan harus
sama.
 Nomor atom unsur, Z, kedua ruas persamaan juga
harus sama
 Harus dipenuhi Hukum Kekekalan Massa-Energi dan
kekekalan Momentum.
12/6/2011 13

14. Peluruhan Alpha
Jika sebuah atom/inti memancarkan partikel alfa (alpha
particle), maka akan kehilangan dua proton dan dua buah
neutron
 N turun/berkurang 2
 Z turun/berkurang 2
 A turun/berkurang 4
Skema Peluruhan Alfa :
A A 4 4
Z X Z 2 Y 2 He
 X dinamakan inti induk (parent nucleus)
 Y dinamakan inti anak (daughter nucleus)
12/6/2011 14

15. Peluruhan Alpha (Alpha Decay)
Peluruhan 226Ra
226 222 4
88 Ra 86 Rn 2 He
Umur paroh peluruhan ini
adalah 1600 tahun.
Sisa mass berubah menjadi
energi kinetik
Momentum dari kedua partikel
sama dan geraknya
berlawanan arah.
12/6/2011 15

16. Beta Decay
Pada peluruhan beta, inti anak (daughter nucleus)
mempunyai jumlah nukleon yang sama dengan inti induk
(parent), tetapi nomor atomnya berbeda satu.
Pemancaran (emisi) elektron tersebut berasal dari inti
Proses ini terjadi apabila neutron berubah menjadi
proton dan elektron
Harus dipenuhi Hukum Kekekalan Energi
12/6/2011 16

17. Peluruhan Beta – Energy Electron
Energy yang dibebaskan pada
peluruhan beta hampir semuanya
menjadi energi kinetik elektron
Hasil Ekperimen menunjukkan
bahwa beberapa elektron energi
sebesar energi kinetik tersebut
Untuk menghitung kehilangan
energi “missing energy”, pada
1930 Pauli, mengajukan
keberadaan partikel lain.
Enrico Fermi menamakan partikel
ini partikel neutrino
Sifat-sifat neutrino :
 Tidak bermuatan listrik
 Massa lebih kecil dari elektron,
tetapi tidak mungkin nol
 Mempunyai Spin = ½
 Interaksinya dengan materi sangat
12/6/2011 lemah 17

18. Beta Decay
Skema Peluruhan Beta
A A
Z X Y e
Z 1
A A
Z X Y e
Z 1
 merupakan simbol dari neutrino
 merupakan simbol dari antineutrino
Dapat disimpulkan bahwa pada peluruhan beta
dipancarkan pasangan partikel, yaitu :
 Elektron dan antineutrino
 Positron dan neutrino
12/6/2011 18

19. Peluruhan Gamma (Gamma Decay)
Sinar Gamma (Gamma rays) dipancarkan oleh inti yang tereksitasi dan
kembali lagi ke tingkat energi yang lebih rendah (lower energy state)
 Serupa dengan proses elektron yang berpindah “jumps” ke tingkat energi
rendah dan memancarkan photon
Keadaan inti yang tereksitasi dihasilkan oleh lompatan “jumps” baik
proton maupun neutron
Tingkat energi inti tereksitasi dapat disebabkan oleh tumbukan seperti
pada pemancaran partikel alpha atau beta
Contoh peluruhan beurutan (decay sequence)
 Tahap pertama pemancaran beta (beta emission)
 Tahap kedua pemancaran gamma (gamma emission)
12 12
5 B 6 C* e
12 12
6 C* 6 C
 C* adalah inti Carbon dalam keadaan tereksitasi
 Emisi Gamma, tidak merubah baik A maupun Z
12/6/2011 19

20. Reaksi Inti (Nuclear Reactions)
Struktur inti dapat diubah dengan menembak
(bombarding) inti partikel energetik (energetic
particles)
 Perubahan ini disebut nuclear reactions
Sebagaimana pada peluruhan inti, nomor atom
dan nomor massa pada kedua ruas persamaan
harus setimbang
12/6/2011 20

21. Harga Q ( Q Values)
Energy must also be conserved in nuclear reactions
The energy required to balance a nuclear reaction is
called the Q value of the reaction
 An exothermic reaction
There is a mass “loss” in the reaction
There is a release of energy
Q is positive
 An endothermic reaction
There is a “gain” of mass in the reaction
Energy is needed, in the form of kinetic energy of the incoming
particles
Q is negative
12/6/2011 21

22. Reaksi Inti
Tentukan hasil/produk dari raksi inti :
7 4
3 Li 2 He ? n
Tentukan harga Q reaksi inti tersebut !
12/6/2011 22

23. Penyelesaian :
7 4 X
3 Li 2 He Y ? n
Agar supaya reaksi setimbang, jumlah total
Diketahui : nukleon (A) pada kedua ruas sama. Jumlah
proton Z juga harus sama.
Reaksi inti
Jumlah nukleon (A): 7 4 X 1 X 10
Jumlah proton (Z): 3 2 Y 0 Y 5
Maka, diperoleh inti B (Boron), sehingga reaksi menjadi :
7 4 10 1
Tentukan : 3 Li 2 He 5 B 0 n
Q=?
Maka harga Q reaksi adalah :
Q m c2 m7 Li m4 He m10 B mn c2 2.79MeV
12/6/2011 23

24. Energi Ambang (Threshold Energy)
Agar supaya memenuhi kekekalan momentum dan energi, partikel
yang datang harus mempunyai energi kinetik minimal, yang disebut
energi ambang (threshold energy)
m
KEmin 1 Q
M
 m, massa partikel yang datang
 M ,massa partikel target
Apabila energi ambang lebih kecil dari energi ambang, maka reaksi
inti tidak dapat terjadi
12/6/2011 24