Model Atom Bohr-Rutherford telah memberikan pengertian pada kita mengenai
struktur atom yang terdiri dari satu inti yang bermuatan positif dengan
elektron bergerak mengelilingi
inti atom. Penemuan ini telah merangsang para fisikawan untuk melanjutkan
penelitian tentang atom. Mereka ingin tahu: apa sesungguhnya yang ada di dalam
inti atom?
Bagaimana struktur inti? Apakah inti atom dapat terpecah?
Apakah beberapa inti atom dapat bergabung?
Dalam pembahasan mengenai masalah struktur atom, inti-inti atom dipandang
sebagai massa titik dan muatan titik. Inti atom membawa semua muatan positif
dan hampir seluruh massa atom sehingga merupakan pusat gerak elektron serta
sangat mempengaruhi susunan atom terutarna lewat interaksi Coulomb dengan
elektron-elektronnya. Percobaan-percobaan hamburan partikel ∝ oleh
Rutherford menunjukkan bahwa pada jarak lebih besar 10-14 m, inti-inti
berinteraksi dengan muatan-muatan lain lewat gaya Coulomb. Namun jika partikel
α mendekati pusat inti sampai pada jarak kurang dari 10-14 m, distribusi
patikel-partikel α terhambur tidak dapat dijelaskan lagi menggunakan gaya
Coulomb. Eksprimen-eksprimen ini telah menunjukkan hadirnya suatu gaya jangkau pendek
yaitu gaya-inti yang bekerja pada jarak dari 10-14 m.
Inti atom ada yang bersifat stabil ada juga yang bersifat radioaktif. Inti
radioaktif memancarkan radiasi berupa α, β atau radiasi γ dalam proses menuju
ke keadaan yang stabil.
PENYUSUN INTI
Menurut model atom Bohr-Rutherford, inti atom ierdiri dari muatan positif. Oleh
Rutherford disimpulkan bahwa inti atom terdiri dari proton-proton. Pendapat ini
menimbulkan banyakpertanyaan. Terutamam yang menyangkut massa atom. Misalnya
bagairnana menjelaskan atom karbon yang mernpunyai massa sekitar 12 kali massa
proton tetapi hanya rnempunyai 6 elektron (atau proton) Penemuan netron yang
massanya harapir sama dengan massa proton, dapat menjawab masalah di atas. Para
fisikawan menganggap bahwa inti atom tidak hanya terdiri dari proton saja
tetapi juga netron. Netronlah yang rnenyebabkan massa atom lebih besar dari
massa total proton dalam inti.
Misalnya pada atom karbon di atas, jumlah proton 6. Kelebihan 6 massa proton
adalah disebabkan karena mereka mempunyai 6 buah netron dalam inti. Jadi
jelaslah sekarang mengapa massa atom lebih besar dibandingkan dengan jumlah
massa total proton dalam inti. Penjelasan ini sangat masuk akal dan .sukar
untuk disanggah. sehingga semenjak itu para fisikawan sepakat rnenyimpulkan
bahwa partikel pembentuk inti atom adalah proton dan netron.
Inti tersusun dari proton dan nutron, observabel dasar inti adalah muatan,
massa, spin dan momen magnet inti.
Proton
Di samping penemuannya pada tahun 1911 yang melahirkan suatu model atom terkenal,
Rutherford juga melakukan percobaannya pada tahun 1919 yang melahirkan suatu
konsep baru yang penting tentang apa yang terdapat di dalam inti atom.
Ia menembakkan sinar α pada atom-atom nitrogen dan mengamati apa yang terjadi.
Ia menemnkan satu partikel aneh yang terpental keluar. Partikel ini ketika
diselidiki ternyata mempunyai muatan positif seperti partikel α, namun besar
muatannya sama dengan besar muatan elektron. la menamakan partikel ini proton
yang kemudian dikenal sebagai inti atom hidrogen. Nama proton diturunkan dari
bahasa Yunani “ protos yang artinya pertama”.
qp = + e = 1,6 x 10-19 C
Melalui percobaan seperti yang dilakukan oleh Thomson untuk menentukan nilai
q/m elektron. Para fisikawan berhasil menghitung q/m unruk proton. Dari hasil
ini mereka berhasil menghitung massa proton yaitu sekitar 1836 massa electron.
Berdasarkan muatannya yang positif dan, massanya yang jauh lehih besar dari
massa electron, proton merupakan kandidat yang paling kuat sehagai partikel
pembentuk inti atom. Melalui pengamatan spektrum atom hidrogen Rutherford
menyimpulkan bahwa proton merupakan inti atom dari atom hidrogen. Kemudian
Rutherford membuat pernyataan bahwa proton merupakan pembentuk dari semua inti
atom.
Proton tersusun atas 3 buah qark, yaitu dua qark atas (up) dan satu quark bawah
(down). Proton termasuk salah satu jenis partikel hadron (tergolong baryon) .
Struktur quark dari sebuah proton
Netron
Pada tahun 1920 Rutherford menyarankan bahwa Suatu proton dalam inti dapat
mengikat electron ( ingat muatan positif akan menarik muatan negative )
sehingga elektron tidak bebas lagi. Gabungan elektron dan proton ini akan
membentuk partikel netral yang ia namakan netron.
Waktu itu Rutherford sedemikian terkenalnya sehingga apa yang diusulkannya
dinggap benar. Para fisikawan berusaha mendesaian alat untuk menemukan partikel
netral ini. Pada tahun 1930 W.G. Bothe dan H. Becker menembakkan sinar alfa ke
atom-atom berilium. Mereka menemukan suatu pancaran sinar/radiasi. Mereka
menganggap ini adalah pancaran gelombang elektromagnetik seperti sinar X atau
sinar γ yang dapat menembus material yang cukup tebal. Namun beberapa fisikawan
meragukan anggapan ini karena pada eksperimen ini terlihat bahwa daya tembus
radiasi jauh lebih besar dibandingkan dengan daya tembus sinar sinar X maupun
sinar γ.
Tidak puas dengan hasil percobaan Botha dan Becker serta ingin mempelajari
sifat sinar “aneh” ini, Frederic Julio dan Irene Curie melakukan percobaan
seperti percobaan Botha dan Becker, tetapi mereka menumbukkan sinar atau
radiasi “ aneh “ tersebut pada parafin (bahan yang kaya akan proton) yang
dipercaya dengan karbon. Menurut laporan mereka, sejumlah proton dipancarkan
dari hasil percobaan ini. Sebelumnya mereka mengharapkan bahwa jika radiasi
“aneh” itu adalah pancaran sinar X maupun sinar γ, maka energy proton yang
terpancar tidaklah besar. Namun ternyata hasil yang diamati berbeda dari yang
diharapkan. Waktu diukur, ternyata energy proton yang terlempar ini jauh lebih
besar dari apa yang diharapkan. Mereka tidak mengerti dan tidak punya jawaban
untuk itu.
Pada tahun 1932, James Chadwick memberikan suatu ide untuk menerangkan mengapa
hasil percobaan Julio-Curie demikian. Ia mengatakan bahwa yang menumbuk proton
adalah partikel bermassa yang netral (neutron) bukan sinar gamma. Menurut dia
hanya partikel yang bermassa cukup besar yang dapat menedang proton dengan
keras sehingga energy kinetic proton dapat menjadi sangat besar.
Ini dapat diilustrasikan dengan gambar berikut.
Untuk menentukan massa neutron, Chadwick melakukan percobaan seperti berikut
Pada gambar tampak partikel alpha dari sumber polonium ditembakkan ke suatu
sampel berilium. Partikel yang dipancarkan oleh berilium kemudian akan
menendang proton dari paraffin. Proton dikumpulkan pada detector ionisasi untuk
diamati dan dianalisis. Anggap partikel yang dipancarkan berilium adalah
neutron yang mempunyai massa mn dan kecepatan mula-mula vn. sedangkan massa
proton mp ( kecepatan proton mula-mula vp) Anggap kecepatan neutron dan proton
sesudah tumbukan adalah v’n dan v’p. Jika tumbukan dianggap elastic sempurna
maka e = 1.
(rumus)
mpvp + mnvn = mp + mn (kekekalan momentum)
(1)
Kecepatan proton setelah tumbukan ( ) dapat ditentukan dengan menganalisa
proton yang tiba di kamar ionisasi. Namun dengan data ini kita masih belum bisa
menghitung massa neutron karena masih ada variable vn yang belum diketahui
besarnya. Chadwick kemudian melakukan eksperimen lain dengan mengganti paraffin
dengan nitrogen dan ia mengamati kecepatan nitrogen yang tertolak. Dengan cara
yang sama kita peroleh kecepatan nitrogen yang tertolak, v’n adalah :
(2)
Pers. (1) dibagi pers (2) menghasilkan :
Dari percob. Chadwick diperoleh data = 3,3 x 107 m/s dan = 4,7 x 106 m/s.
dengan menggunakan = 14 mp ( massa nitrogen = 14 kali massa proton), kita
peroleh :
Inilah massa neutron yang dihitung Chadwick!
Suatu inti X secara simbolis dituliskan sebagai dengan z adalah nomor atom
yaitu sama dengan cacah proton dalam inti sedang A disebut nomor massa yang
merupakan jumlah dari cacah proton Z dan cacah neutron N atau Z + N = A.
Sebuah neutron diklasifikasikan sebagai baryon dan terdiri dari dua quark bawah
dan satu quark atas. Persamaan Neutron antibendanya adalah antineutron.
Strutur quark dari sebuah neutron
MUATAN INTI
Proton adalah inti isotop hidrogen teringan bennuatan positif yang besamya sama
dengan muatan elektron. Neutron adalah partikel netral, tak bennuatan listrik
dengan massa sama dengan massa proton. Karena tak bennuatan listrik maka tidak
dapat menimbulkan efek ionisasi secara langsung dan hanya dapat dideteksi dan
diidentifikasi secara tidak langsung, kehadiran neutron dihipotesakan oleh
Pauli baru teruji di tahun 1932 oleh J. Chadwick yang mendemonstrasikan
sifat-sifat dasarnya dalam beberapa eksperimen reaksi nuklir.
MASSA INTI
Massa proton dan neutron dalam satuan massa atom ( sebesar 1/12 massa isotop )
adalah masa proton mp = 1,007 276 63 ± 0,000 000 08 u
energi rehat proton (mpC2) = 938,256 ± 0,005 MeV
massa neutron mn = 1, 008, 665 4 ± 0,000 000 4 u
energi rehat neutron (mpC2) = 939,550 ± 0,005 MeV
dengan 1 u = satuan massa atom = 931,5 MeV/c2 = 1,6605402 x 10-27 kg
Proton dan neutron mempunyai massa yang hampir sama, selisihnya tidak lebih
besar dari 1 %, keduanya mempunyai energi rehat kurang lebih 939 MeV. Karena
proton bermuatan listrik, massanya dapat diukur langsung secara eksperimen
dengan spektograf massa, sedang pengukuran massa neutron dilakukan secara tidak
langsung. Massa inti tidak sama dengaan Z kali massa proton ditambah N kali
massa neutron, melainkan lebih kecil dari nilai tersebut.
massa inti < ( Z mp + N mp )
< [ Z mp + ( A – Z ) mp ]
Sebagai penyusun inti, proton dan neutron yang berinteraksi jangkau pendek dan
serupa tersebut dinamakan nukleon.
SPIN INTI
BILANGAN KUANTUM MAGNETIK SPIN
Sebelum membahas lebih jauh mengenai spin inti, berikut penjelasan tentang
kuantum magnetik spin yang berguna dalam memahami spin inti. Bilangan kuantum
magnetik spin disimbolkan dengan ms pada pembahasan elektron. Sementara untuk
inti disimbolkan dengan mI (di mana I adalah bilangan kuantum spin inti).
Bilangan kuantum magnetik spin berhubungan erat dengan momentum sudut
intrinsik. Momentum sudut intrinsik adalah momentum sudut yang terdapat dalam
partikel itu sendiri. Momentum sudut intrinsik elektron tidak bergantung pada
momentum sudut orbitalnya.
Dalam pembahasan elektron mengelilingi inti atom akan menghasilkan medan
magnetik. Medan magnetik ini akan berinteraksi dengan medan magnetik akibat
momentum sudut elektron. Pauli menyebutkan bahwa bilangan kuantum yang berhubungan
dengan momentum sudut intrinsik elektron ini dengan nama bilangan kuantum
magnetik spin yang memiliki nilai ms=+1/2 dan ms=-1/2.
Untuk menjelaskan lebih lanjut ide Pauli. Goudsmit dan Uhlenbeck memisalkan
elektron seperti bola pejal bermuatan. Momentum sudut intrinsik elektron
dianggapnya sebagai akibat puntiran elektron yang berputar terhadap sumbunya
(seperti rotasi bumi). Pada waktu elektron berpuntir berlawanan arah gerak
jarum jam, elektron mempunyai bilangan kuantum magnetik spin ms=+1/2 dan ketika
berpuntir searah jarum jam ms=-1/2.
Besarnya momentum sudut intrinsik atau spin (puntiran) elektron ini diberikan
oleh rumus S=ℏ√(s(s+1)) dengan s=1/2 (s dinamakan bilangan kuantum spin). Proyeksi spin
elektron ini pada sumbu z diberikan oleh SZ=ms ℏ dengan ms menyatakan bilangan
kuantum magnetik spin.
Selain elektron, partikel lain yang juga memiliki spin adalah proton dan
neutron. Besar spin proton dan neutron sama dengan spin elektron, yaitu :
S=ℏ√(1/2(1/2+1))=√3/2 ℏ
Bilangan kuantum spin proton dan neutron adalah ½. Hal ini karena harus
memenuhi ketentuan seperti yang dinyatakan oleh Fermi-Dirac. Berikut
penjelasannya.
Partikel elementer penyusun materi yang berada pada kolom pertama, kedua dan
ketiga (12 partikel) masuk dalam kategori fermion, partikel-partikel tersebut
mematuhi kaidah yang berlaku pada statistika Fermi-Dirac (dikemukakan oleh
Enrico Fermi dan Paul Dirac secara terpisah) diantaranya adalah , memiliki spin
kelipatan ½, mematuhi prinsip eksklusi Pauli dan fungsi gelombangnya bersifat
antisimetri. Sedangkan yang berada pada kolom terakhir (4 partikel) masuk
kategori boson. “Mereka” adalah partikel elementer yang menjadi mediator
(perantara) pada proses terjadinya suatu interaksi dan mematuhi statistika
Bose-Einstein (dikemukakan oleh Satyendra Nath Bose dan Albert Einstein secara
terpisah) diantaranya adalah memiliki spin kelipatan bilangan bulat, tidak
mematuhi prinsip eksklusi Pauli dan fungsi gelombangnya bersifat simetris.
Bagian yang berwarna ungu adalah partikel yang masuk kategori quark. Terdapat 6
jenis quark yaitu: up, down, charm, strange, top dan bottom. Murray Gell-Mann
memberi nama partikel tersebut dengan sebutan quark setelah ia mendengar bunyi
bebek (kwork kwork kwork) dan membaca buku karangan James joyce yang berjudul
Finnegans Wake yang didalamnya terdapat kata quark. Di alam semesta, quark
tidak ditemukan “seorang diri” melainkan berada secara bersama dalam suatu
partikel komposit bernama hadron. Salah satu jenis partikel hadron adalah
proton.
Photon mempunyai spin S=ℏ√(1(1+1) )=ℏ√2 dan bilangan kuantum spin photon s=1.
SPIN INTI
Proton dan netron mempunyai sudut intrinsik yang disebut spin. Spin S ini
berperilaku seperti momentum sudut, namun tidak tergantung pada gerak orbital.
Hal serupa juga dinyatakan dalam pembahasan tentang spin elektron. Bahwa dalam
usaha untuk menerangkan struktur halus garis spektral dan efek Zeeman
anomalous, S.A. Goudsmit dan G.E. Uhlenbeck pada tahun 1925 mengusulkan bahwa
elektron memiliki momentum sudut intrinsik yang bebas dari momentum sudut
orbitalnya dan berkaitan dengan momentum sudut itu terdapat momen magnetik
(Beiser,1981:206).
Apa yang ada dalam pikiran Goudsmit dan Uhlenbeck ialah suatu gambaran klasik
dari elektron sebagai bola yang bermuatan yang berpusing pada sumbunya. Hal ini
tentunya berlaku pada permasalahan inti atom. Proton dan netron pun secara
gambaran klasik berpusing pada sumbunya sehingga memiliki sudut intrinsik yang
disebut spin.
Spin inti SI berhubungan dengan bilangan kuantum spin inti I sebagai
S_I=ℏ√(I(I+1))
Bilangan kuantum spin inti I digunakan untuk memerikan momentum sudut spin inti
SI. Harga yang diperbolehkan untuk bilangan kuantum spin proton dan neutron
adalah I=1/2 seperti halnya pada spin elektron. Persyaratan ini datang dari
teori Dirac dan dapat juga diperoleh secara empiris dari data spektral. Dalam
penurunan rumusnya Dirac menyatakan bahwa sebuah partikel yang mempunyai massa
dan muatan seperti elektron (maupun proton dan neutron) harus memiliki momentum
sudut intrinsik dan momen magnetik seperti yang diusulkan Goudsmit dan
Uhlenbeck.
Jika I=1/2
S_I=ℏ√(I(I+1))=ℏ√(1/2(1/2+1))=√3/2 ℏ
Momentum sudut spin inti
Kuantisasi ruang spin inti diperikan oleh bilangan kuantum magnetik spin ms.
Seperti halnya momentum sudut orbital boleh memiliki orientasi 2l+1 dalam medan
magnetik dari +l hingga –l, vektor momentum sudut spin inti dapat meiliki
2I+1=2 orientasi yang diberi spesifikasi oleh mI=+1/2 dan mI=-1/2.
Komponen Sz momentum sudut spin inti sepanjang arah medan magnetik dalam arah z
ditentukan oleh bilangan kuantum magnetik spin, sehingga
S_Z=m_I ℏ=±1/2 ℏ
MOMEN MAGNET INTI
Sebelum membahas apa itu momen magnetik inti, mari kita ulang kembali apa itu
momen magnetik? Penjelasan berikut akan mengacu pada momen magnetik elektron.
Anggap suatu partikel katakanlah elektron bermassa m bergerak dalam suatu orbit
berjari-jari r dengan frekuensi f. Momentum sudut elektron ini adalah
L=mevr=mewr2=me2πfr2. Gerakan elektron ini menimbulkan arus didefinisikan
sebagai banyaknya muatan yang mengalir tiap detik. Jadi arus yang disebabkan
oleh gerakan elektron ini sama dengan I=qf=-ef.
Gerakan elektron ini juga menimbulkan medan magnet (ingat bahwa partikel yang
bergerak akan menghasilkan medan magnetik). Jika elektron ini diberikan medan
magnetik (kita namakan medan magnetik luar) maka terjadilah interaksi antara
kedua medan magnetik ini. Medan magnetik luar B ⃗ (arahnya misalkan searah dengan
sumbu z) akan memberikan torsi yang dapat merubah arah gerakan elektron.
Besarnya torsi τ ⃗ akibat medan magnet ini diberikan oleh rumus
τ ⃗=μ ⃗xB ⃗
μ ⃗ adalah suatu besaran yang dinamakan momen magnetik yang besarnya μ ⃗=IA. Arah
momen magnetik sama dengan arah momentum sudut untuk partikel bermuatan positif
dan berlawanan untuk partikel negatif. Torsi inilah yang memutar orbit.
MOMEN MAGNETIK INTI
Tinjau suatu untai arus listrik i tertutup melingkupi luasan A Momen magnet
yang ditimbulkan oleh untai tertutup ini adalah
(2)
Jika untai arus tertutup tersebut berupa lintasan proton yang berbentuk
lingkaran berjari -jari r dan laju v maka
Arus
Karena luas A = π r2
momen magnetnya
Karena momentum sudut orbit proton L = mp v r maka
(3)
Didefinisikan, nisbah giromagnetik orbit γL
Komponen momen magnet orbit ke suatu sumbu (sumbu Z) adalah
(4)
dengan ml : bilangan kuantum magnetik orbital.
Didefinisikan besaran magneton Nuklir sebagai
dengan mp = massa proton, sehingga
(5)
Bandingkan Nilai ini dengan satuan momen magnet untuk elektron sebesar yang
disebut magneton Bohr dalam Bab Fisika Atom yang besarnya
= 0,92932 x 10-23 J/T.
Hasil eksperimen menunjukkan momen magnet proton akibat gerak spinnya ( diukur
dalam kerangka rehat proton ) adalah
μp = (2,792 76 ± 0,000 0 2)
Neutron adalah partikel tak bermuatan, mestinya mempunyai momen magnet nol.
Tetapi hasil pengukuran menunjukan bahwa dalam kerangka rehatnya
Hal ini dikarenakan meskipun muatan total neutron nol, namun terdapat
distribusi muatan dalam neutron yang tidak merata, maka momen magnetnya tidak
sama dengan nol. Dalam model nukleon mejemuk neutron tersusun dari tiga zarah
kuark yang berbeda.
