BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Perkembangan ilmu Fisika dalam kajian sehari hari sangat kental dengan nuansa makroskopis dan mikroskopis. Lebih mudah untuk menganalisa kejadian dari sudut makroskopis daripada mikroskopis. Secara mikroskopis, studi tentang atom telah mengalami perkembangan dari model atom Dalton sampai dengan model atom modern. Setiap model atom memiliki kekurangan dan kelebihan masing-masing yang sesuai dengan pemikran penemunya. Hal ini merupakan suatu tahap sains yang sangat hebat dalam sejarah Fisika. Hingga saat ini, dalam perkembangan selanjutnya, teori atom dikaji dengan menggambarkan pendekatan teori atom mekanika kuantum. Perkembangan muktahir di bidang mekanika kuantum dimulai dari teori Max Planck yang mengemukakan kuantakuanta energi dilanjutkan oleh Louis de Broglie tentang dualisme partikel, kemudian oleh Werner Heisenberg tentang prinsip ketidakpastian dan yang terakhir saat ini adalah Erwin Schrodinger tentang persamaan gelombang. Mekanika kuantum ini dapat menerangkan kelemahan teori atom yang sudah ada tentang garis-garis terpisah yang sedikit berbeda panjang gelombangnya dan memperbaiki model atom Bohr dalam hal bentuk lintasan elektron dari yang berupa lingkaran dengan jarijari tertentu menjadi orbital dengan bentuk ruang tiga dimensi yang tertentu. Teori kuantum dari Max Planck mencoba menerangkan radiasi karakteristik yang dipancarkan oleh benda mampat. Radiasi inilah yang menunjukan sifat partikel dari gelombang. Radiasi yang dipancarkan setiap benda terjadi secara tidak kontinyu (discontinue discontinue)) dipancarkan dalam satuan kecil yang disebut kuanta (energi kuantum). Penemuan-penemuan dan teori-teori baru pasti akan terus bermunculan hingga kini, jadi perlu menjadi perhatian kita bersama demi mengetahui rahasia yang terselubung daam suatu atom. Berdasarkan hal-hal di atas, maka penulis menyusun makalah yang berjudul “Inti Atom” Atom”.
Inti Atom
1
1.2 Rumusan Masalah
1. Bagaimanakah konsep dasar tentang atom? 2. Bagaimanakah perkembangan tentang teori atom? 3. Bagaimanakah model proton-elektron dari inti atom? 4. Bagaimanakah penemuan tentang neutron? 5. Bagaimanakah model proton-neutron dari inti atom?
1.3 Tujuan Penulisan
Adapun tujuan dari penulisan makalah ini adalah sebagai berikut. 1. Untuk menjelaskan tentang konsep dasar tentang atom. 2. Untuk menjelaskan perkembangan tentang teori atom. 3. Untuk menjelaskan model proton-elektron dari inti atom. 4. Untuk menjelaskan penemuan tentang neutron. 5. Untuk menjelaskan model proton-neutron dari inti atom.
1.4 Manfaat Penulisan
Adapun manfaat dari penulisan makalah ini adalah sebagai berikut. 1. Pembaca mengetahui tentang tentang konsep dasar tentang atom. 2. Pembaca mengetahui tentang perkembangan tentang teori atom. 3. Pembaca mengetahui tentang model proton-elektron dari inti atom. 4. Pembaca mengetahui tentang penemuan tentang te ntang neutron. 5. Pembaca mengetahui tentang model proton-neutron dari inti atom.
1.5 Metode Penulisan
Dalam proses penyusunan makalah ini, penulis menggunakan metode penulisan kajian pustaka, yaitu dengan mengambil dan menggabungkan informasi dari berbagai sumber-sumber pustaka yang mendukung dan erat kaitannya dengan pokok bahasan dalam makalah yang penulis susun dan disertai dengan pendapat kritis dari penulis tentang kajian materi yang akan dibahas.
Inti Atom
2
BAB II PEMBAHASAN
2.1 Konsep Dasar Atom
Konsep dasar tentang atom sebenarnya sudah lama dikenal orang. Konsep tersebut antara lain berasal dari pemikiran orang Yunani kuno yang dipelopori oleh Democritus yang hidup pada akhir abad ke-4 dan awal abad ke-5 Sebelum Masehi. Menurut teori yang dikemukakannya, suatu benda dapat dibagi menjadi bagian-bagian yang sangat kecil yang akhirnya tidak dapat dibagi lagi yang disebut atom. Kata atom berasal dari bahasa Yunani yaitu “atomos” atomos” yang berarti “tidak dapat dibagi” dibagi”. Disebutkan bahwa alasan ini berasal dari observasi di mana butiran pasir dapat bersama-sama membentuk sebuah pantai. Dalam analoginya, pasir adalah atom, at om, dan pantai adalah senyawa. Analogi ini kemudian dapat dihubungkan dengan pengertian Democritus terhadap atom yang tidak bisa dibagi lagi: walaupun sebuah pantai dapat dibagi ke dalam butiran-butiran pasirnya, butiran pasir ini tidak dapat dibagi. Democritus juga beralasan bahwa atom sepenuhnya padat, dan tidak memiliki struktur internal. Dia juga berpikir harus ada ruang kosong antar atom untuk memberikan ruang untuk pergerakannya (seperti pergerakan dalam air dan udara, atau fleksibilitas benda padat). Sebagai tambahan, Democritus juga menjelaskan bahwa untuk menjelaskan perbedaan sifat dari material yang berbeda, atom dibedakan ke dalam bentuk, bentuk, massa dan ukurannya. Komposisi jumlah proton dan neutron di dalam inti atom sangat mempengaruhi kestabilan inti atom tersebut. Inti atom dikatakan stabil bila komposisi jumlah proton dan neutronnya sudah “seimbang” seimbang” serta tingkat energinya sudah berada pada keadaan dasar. Jumlah proton dan neutron maupun tingkat energi dari inti-inti yang stabil tidak akan mengalami perubahan selama tidak ada gangguan dari luar. Sebaliknya, inti atom dikatakan tidak stabil bila komposisi jumlah proton dan neutronnya “tidak seimbang” seimbang” atau tingkat energinya tidak berada pada keadaan dasar. Perlu dicatat bahwa komposisi proton dan neutron yang “seimbang” seimbang” atau “tidak seimbang” seimbang” di atas tidak berarti mempunyai jumlah yang sama ataupun tidak sama. s ama. Setiap inti atom mempunyai “kesetimbangan” kesetimbangan” yang berbeda. Ukuran inti atom jauh lebih kecil dari ukuran atom itu sendiri, dan hampir sebagian besar tersusun dari proton dan neutron, hampir sama sekali tidak ada sumbangan dari elektron. Jumlah netron dalam inti atom menentukan isotop elemen tersebut. Isotop suatu
Inti Atom
3
atom ditentukan oleh jumlah neutron di dalam intinya. Isotop yang berbeda dari satu unsur yang sama mempunyai sifat kimia yang sangat mirip karena reaksi kimia hampir tergantung seluruhnya pada jumlah elektron yang dimiliki sebuah atom. Isotop-isotop dari sampel dari unsur tertentu dapat dipisahkan dengan menggunakan sentrifugasi atau spektometer massa. Jumlah proton dan netron menentukan tipe dari nukleus atau inti atom. Proton dan neutron hampir memiliki massa yang sama, dan kombinasi jumlah, jumlah massa, rata-rata sama dengan massa atomik sebuah atom. Kombinasi massa dari elektron sangat kecil secara perbandingan terhadap massa nukleus, di karenakan berat dari proton dan neutron hampir 2000 kali massa elektron. Jumlah proton dan netron dalam inti atom saling berhubungan; biasanya dalam jumlah yang sama, dalam nukleus besar ada beberapa netron lebih. Kedua jumlah tersebut menentukan jenis nukleus. Proton dan netron memiliki masa yang hampir sama, dan jumlah dari kedua masa tersebut disebut nomor massa, dan beratnya hampir sama dengan massa atom (tiap isotop memiliki masa yang unik). Masa dari elektron sangat kecil dan tidak menyumbang banyak kepada masa atom.
2.2 Perkembangan Teori Atom
Pada tahun 1808, Dalton mengemukakan pendapatnya tentang atom. Teori atom Dalton didasarkan pada dua hukum, yaitu hukum kekekalan massa (hukum Lavoisier) dan hukum susunan tetap (hukum Prouts). Lavosier mennyatakan bahwa “Massa total zat-zat sebelum reaksi akan selalu sama dengan massa total zat-zat hasil reaksi” reaksi”. Sedangkan Prouts menyatakan bahwa “Perbandingan massa unsur-unsur dalam suatu senyawa selalu tetap” tetap”.mengutarakan teori atomnya yang mana tidak dapat dibuktikan sepenuhnya benar. Adapun teori atom yang dikemukakan oleh John Dalton (1766-1844) adalah sebagai berikut.
atom merupakan partikel kecil yang tidak dapat dibagi lagi.
atom suatu unsur yang tidak dapat berubah menjadi atom unsur lain.
dua atom atau lebih yang berasal dari unsur-unsur yang berlainan dapat membentuk molekul.
atom-atom suatu unsur semuanya serupa.
pada
suatu reaksi kimia, atom-atom berpisah tetapi kemudian bergabung lagi
dengan susunan yang berbeda dari semula. Tapi massa keseluruhan tetap dan atom-atom bergabung menurut perbandingan tertentu.
Inti Atom
4
bila
2 macam atom berbentuk 2 macam senyawa atau lebih l ebih maka perbandingan
atom-atom yang sama dalam kedua senyawa itu sederhana. Hipotesa Dalton digambarkan dengan model atom sebagai bola pejal seperti pada tolak peluru. Seperti gambar berikut ini. Atom adalah partikel terkecil dan tidak dapat dibagi lagi.
Kelebihan dari model atom Dalton adalah sebagai berikut.
Mulai membangkitkan minat terhadap penelitian mengenai model atom
Kelemahan dari model atom Dalton adalah sebagai berikut.
Teori atom Dalton tidak dapat menerangkan suatu larutan dapat menghantarkan arus listrik. Bagaimana mungkin bola pejal dapat menghantarkan arus listrik, padahal listrik adalah elektron yang bergerak. Berarti ada partikel lain yang dapat menghantarkan arus listrik.
Berdasarkan penemuan tabung katode yang lebih baik oleh William Crookers, maka J.J. Thomson (1856 – 1940) 1940) meneliti lebih lanjut tentang sinar katode dan dapat dipastikan bahwa sinar katode merupakan partikel, sebab dapat memutar baling-baling yang diletakkan diantara katode dan anode. Dari hasil percobaan ini, Thomson menyatakan bahwa sinar katode merupakan partikel penyusun atom (partikel subatom) yang bermuatan negatif dan selanjutnya disebut elektron. Atom merupakan partikel yang bersifat netral, oleh karena elektron bermuatan negatif, maka harus ada partikel lain yang bermuatan positifuntuk menetrallkan muatan negatif elektron tersebut. Dari penemuannya tersebut, Thomson memperbaiki kelemahan dari teori atom Dalton dan mengemukakan teori atomnya yang dikenal sebagai Teori Atom Thomson. Yang menyatakan bahwa:
“Atom merupakan bola pejal yang bermuatan positif dan didalamya tersebar muatan negatif elektron” elektron”
Model atom mini dapat digambarkan sebagai jambu biji yang sudah dikelupas kulitnya. biji jambu menggambarkan elektron yang tersebar merata dalam bola daging jambu yang pejal, yang pada model atom Thomson dianalogikan sebagai bola positif yang pejal. Model atom Thomson dapat digambarkan sebagai berikut.
Inti Atom
5
Kelebihan dari model atom Thomson adalah sebagai berikut.
Membuktikan adanya partikel lain yang bermuatan negatif dalam atom. Berarti atom bukan merupakan bagian terkecil dari suatu unsur.
Kelemahan dari model atom Thomson adalah sebagai berikut.
Model Thomson ini tidak dapat menjelaskan susunan muatan positif dan negatif dalam bola atom tersebut.
Eksperimen Rutherford pada tahun 1910 dikenal dengan percobaan hamburan partikel alfa. Partikel alfa yang berasal dari ion He bermuatan positif dari sumber radioaktif ditembbakkan melalui lempeng/lembaran emas (Au foil) yang sangat tipis. Layar fluresen ditempatkan di belakang Au foil yang sangat tipis. Layar ini ditempatkan di belakang Au foil untuk mendeteksi hamburan (scattering) partikel alfa. Partikel alfa adalah partikel bermuatan positif. Oleh karena itu, pantulan partikel alfa dengan sudut pantul lebih besar dari 90 hanya mungkin disebabkan adanya tumbukan antara partikel alfa dengan suatu partikel yang memiliki kerapatan kerapat an sangat tinggi dan bermuatan sejenis (positif). Akibatnya, partikel alfa yang menuju kepada partikel itu akan dibelokkan arahnya karena adanya penolakan muatan yang sama. Gejala G ejala ini menurut Rutherford, akibat adanya suatu partikel yang merupakan inti dari lempeng tipis logam yang dijadikan target. Berikut merupakan gambaran eksperimen yang dilakukan oleh Rutherford.
Gejala lain yang diamati adalah hanya sebagian kecil dari partikel alfa yang dipantulkan, umumnya partikel alfa diteruskan. Gejala ini menurutnya, menunjukkan bahwa bagian terbesar dari atom-atom logam dijadikan tabir merupakan ruang kosong.
Inti Atom
6
Selanjutnya Ernest Rutherford mengemukakan teori atomnya yaitu sebagai berikut.
atom terdiri dari sebuah inti atom yang sangat kecil dan bermuatan positip.
inti atom dikelilingi oleh elektron-elektron yang bermuatan negatip
susunan inti dan elektron-elektron atom adalah seperti susunan tata surya .
partikel-partikel
penyusun inti atom adalah proton dan netron. Proton bermuatan
positip dan netron tidak bermuatan (netral). jumlah
muatan listrik li strik proton sama s ama dengan jumlah muatan listrik elektron, hanya
jenisnya yang berlawanan.
dalam tiap atom, jumlah proton sama dengan jumlah elektron, sehingga jumlah muatan positip sama dengan jumlah muatan negatif. Dengan demikian, atom bersifat netral.
gaya elektrostatik antara inti dan elektron menghasilkan gaya sentripetal sehingga elektron terus bergerak mengelilingi inti. Besar gaya coulomb: Fc
k e 2
Besar gaya sentripetal: Fs
Sehingga diperoleh: v
r 2 m v2 r 2
k e 2 m r
Dengan m = massa elektron, e =muatan elektron, r = r = jari-jari lintasan, v =kecepatan elektron mengorbit. Kelebihan model atom Rutherford adalah sebagai berikut.
Membuat hipotesa bahwa atom tersusun dari inti atom dan elektron yang mengelilingi inti.
Kelemahan model atom Rutherford adalah sebagai berikut.
Model atom Rutherford tidak dapat menerangkan energi yang dilepaskan dalam bentuk cahaya, sebab pada setiap kali perputaran elektron dengan percepatan tetap, elektron kehilangan energi dan akhirnya tertarik ke inti. Perilaku seperti ini menimbulkan gerakan berbentuk spiral, dan berakhir dengan jatuhnya elektron ke inti. Pada kenyataanya, atom bersifat mantap dan stabil.
Oleh karena jari-jari semakin kecil maka periode juga makin kecil dan frekuensi semakin membesar secara kontinu. Hal ini bertentangan dengan spektrum gas hidrogen yang menghasilkan spektrum garis atau diskrit.
Inti Atom
7
Pada tahun 1913, pakar fisika Denmark bernama Neils Bohr memperbaiki kegagalan atom Rutherford melalui percobaannya tentang spektrum atom hidrogen. Percobaannya ini berhasil memberikan gambaran keadaan elektron dalam menempati daerah disekitar inti atom. Penjelasan Bohr tentang atom hidrogen melibatkan gabungan antara teori klasik dari Rutherford dan teori kuantum dari Planck, diungkapkan dengan empat postulat, sebagai berikut.
Hanya ada seperangkat orbit tertentu yang diperbolehkan bagi satu elektron dalam atom hidrogen. Orbit ini dikenal sebagai keadaan gerak stasioner (menetap) elektron dan merupakan lintasan melingkar disekeliling inti.
Selama elektron berada dalam lintasan stasioner, energi elektron tetap sehingga tidak ada energi dalam bentuk radiasi yang dipancarkan maupun diserap.
Elektron hanya dapat berpindah dari satu lintasan stasioner ke lintasan stasioner lain. Pada peralihan ini, sejumlah energi tertentu terlibat, besarnya sesuai dengan persamaan Planck, ΔE Planck, ΔE = hv. hv.
Lintasan stasioner yang dibolehkan memilki besaran dengan sifat-sifat tertentu, terutama sifat yang disebut momentum sudut . Besarnya momentum sudut merupakan kelipatan dari
h 2
atau
nh 2
, dengan n adalah bilangan bulat dan h
tetapan Planck. Menurut model atom Bohr, elektron-elektron mengelilingi inti pada lintasanlintasan tertentu yang disebut kulit elektron atau tingkat energi. Tingkat energi paling rendah adalah kulit elektron yang terletak paling dalam, semakin keluar semakin besar nomor kulitnya dan semakin tinggi tingkat energinya. Berikut merupakan gambaran tingkat energi menurut Bohr.
Kelebihan dari model atom Bohr adalah sebagai berikut.
Atom terdiri dari beberapa kulit untuk tempat berpindahnya elektron.
Inti Atom
8
Kelemahan dari model atom Bohr adalah sebagai berikut.
Model atom ini adalah tidak dapat menjelaskan efek Zeeman dan efek Strack Model
atom
mekanika
kuantum
dikembangkan
oleh
Erwin
Schrodinger
(1926).Sebelum Erwin Schrodinger, seorang ahli dari Jerman Werner Heisenberg mengembangkan teori mekanika kuantum yang dikenal dengan prinsip ketidakpastian yaitu “Tidak mungkin dapat ditentukan kedudukan dan momentum suatu benda secara seksama pada saat bersamaan, yang dapat ditentukan adalah kebolehjadian menemukan elektron pada jarak tertentu dari inti atom” atom”. Daerah ruang di sekitar inti dengan kebolehjadian untuk mendapatkan elektron disebut orbital. Bentuk dan tingkat energi orbital dirumuskan oleh Erwin Schrodinger. Erwin Schrodinger memecahkan suatu persamaan untuk mendapatkan fungsi gelombang untuk menggambarkan batas kemungkinan ditemukannya elektron dalam tiga dimensi. Model atom dengan orbital lintasan elektron ini disebut model atom modern atau model atom mekanika kuantum yang berlaku sampai saat ini, seperti terlihat pada gambar berikut ini.
Model atom mutakhir atau model atom mekanika gelombang.
Awan elektron disekitar inti menunjukan tempat kebolehjadian elektron. Orbital menggambarkan tingkat energi elektron. Orbital-orbital dengan tingkat energi yang sama atau hampir sama akan membentuk sub kulit. Beberapa sub kulit bergabung membentuk kulit. Dengan demikian, kulit terdiri dari beberapa sub kulit dan subkulit terdiri dari beberapa orbital. Walaupun posisi kulitnya sama tetapi posisi orbitalnya belum tentu sama. Ciri khas model atom mekanika gelombang adalah sebagai berikut.
Gerakan elektron memiliki sifat gelombang, sehingga lintasannya (orbitnya) tidak stasioner seperti model Bohr, tetapi mengikuti penyelesaian kuadrat fungsi gelombang yang disebut orbital (bentuk tiga dimensi darikebolehjadian paling besar ditemukannya elektron dengan keadaan tertentu dalam suatu atom)
Bentuk dan ukuran orbital bergantung pada harga dari ketiga bilangan kuantumnya. (Elektron yang menempati orbital dinyatakan dalam bilangan kuantum tersebut)
Inti Atom
9
Posisi elektron sejauh 0,529 Amstrong dari inti H menurut Bohr bukannya sesuatu yang pasti, tetapi bolehjadi merupakan peluang terbesar ditemukannya elektron.
Kelemahan model atom modern adalah sebagai berikut.
Persamaan gelombang Schrodinger hanya dapat diterapkan secara eksak untuk partikel dalam kotak dan atom dengan elektron tunggal
2. 3 Model Proton-Elektron dari Inti Atom
Sebelum penemuan neutron oleh J. Chadwick pada tahun 1932, masih berlaku asumsi yang diyakini secara umum bahwa inti atom disusun oleh proton dan elektron. Sebuah atom tersusun atas A prorton dan A-Z elektron. Model proton elektron tidak dapat bertahan lama karena tidak mampu menjelaskan beberapa fakta ekperimental baru yang bisa dipercaya keakuratannya. Berikut diantara beberapa fakta ekperimental yang mengguncang model model inti atom tersebut. a.
Momentum Anguler Inti Atom
Penemuan momentum anguler disebabkan karena adanya dukungan teknologi yaitu perkembangan spectroscopes dengan resolusi yang sangat tinggi. Studi lebih lanjut terhadap garis-spektral dengan spectroscopes resolusi tinggi mengungkapkan banyak level baru, dimana level tersebut sangat dekat satu sama lain. Tipe spektrum ini dinamakan struktur hyperfine dan struktur ini diduga terbentuk karena (i) keberadaan isotop alam suatu unsur) dan (ii) momentum anguler nuklir. Jika ditinjau efek dari isotop (unsur yang memiliki nomor atom yang sama, tetapi nomor massanya berbeda). Jika diberikan unsur yang tidak memiliki isotop, maka persamaan untuk panjang gelombang pada transisi atom Hidrogen diberikan oleh: v
1 1 R M 2 2 . n f ni 1
dimana R M adalah konstanta Rydberg yang diberikan oleh R M
M M m
R , yang nilainya
adalah R 1,097 10
3
A 1 .
Jika ada isotop nilai R-nya berbeda misalkan unsur Litium dengna A = 6 dan 7 dan Z = 3 sehingga memiliki R berbeda dan bergantung pada massa inti dan massa elektron. R M 1
Inti Atom
M 1 M 1 m
R
10
R M 2
M 2 M 2 m
R
Untuk kedua kedua isotop secara berturut-turut, maka diperoleh: R M 1 R M 2
R
m M M 1 M 2
m M 1 M 2
M 1 m M 2 m
R
R
Jika ΔM bernilai kecil dan m sangat kecil jika dibandingkan dengan M 1 dan M2, jadi ΔR juga sangat kecil. Hal ini menghasilkan dua transisi yang sesuai s esuai dengan panjang gelombang λ 1 dan λ 2. Perbedaan λ 1 dan λ 2 juga bernilai sangat kecil. Garis lurus tunggal, maka dari itu menjadi garis ganda yang dekat karena adanya dua isotop. Pengaruh dari isotop pada garis spektrum telah diamati dalam berbagai unsur dengan bantuan spektroskop beresolusi tinggi. Struktur yang sangat halus dari garis-garis spectrum tidak bisa dijelaskan dalam semua kasus yang disebabkan oleh pengaruh isotop. Ditemukan bahwa ada unsur yang tidak memiliki isotop tetapi memiliki struktur hyperfine atau dengan kata lain kehadiran hyperfine tidak dioengaruhi oleh isotop sehingga dugaan isotop berkontribusi terhadap pembentukan struktur pembentukan struktur hyperfine ini dinyatakan gagal. Struktur hyperfine dari garis spektral tidak dapat dijelaskan dalam semua kasus yang disebabkan oleh efek isotopik. Besarnya momentum anguler nuklir diberikan oleh persamaan: 1
I I 1 2 , dimana
h 2
h adalah konstanta Planck dan I adalah I adalah bilangan bulat atau setengah bilangan bulat yang menyatakan spin nuklir. Nama spin nuklir untuk I adalah nama khas bilangan kuantum, dan nilai maksimum dari komponen momentum anguler dalam arah apapun adalah Ih adalah Ih.. Inti yang berbeda baik isotop berbeda dari unsur yang berbeda dapat memiliki nilai I yang berbeda. Vektor momentum anguler nuklir juga dapat terkuantisasi ruang. Ketika sebuah inti atom dengan spin I ditempatkan dalam sebuah medan magnetik eksternal, nukleus (2 I + I + 1) orientasi yang berbeda. Nilai orientasi ini adalah salah satu dari nilai (dalam satuan h) yang dimiliki oleh vector momentum angular yang diproyeksikan searah medan maknet seperti berikut I, I-1, I-2, I-3,……………… I-3,………………-(I-2),-(I-2),- (I-1), -I
Inti Atom
11
Vektor momentum anguler nuklir I nuklir I ditambahkan dengan vektor momentum J dari elektron dalam sebuah atom akan menghasilkan vektor momentum anguler F yang diberikan oleh persamaan: F J I
Jika nilai I dan J diketahui kita bisa memperoleh semua nilai yang mungkin dari F yang berasal dari kombinasi J dan I (gambar 1a) dan selanjutnya kita dapat memprediksi jumlah transisi yang mungkin diantara kondisi yang berbeda-beda. Dalam praktek nyata prosedur sebaliknya yang dipakai. Dengan menghitung jumlah garis, yang akan sama dengan 2I + 1 jika I
J
F
I
Gambar 1a (Vektor F) Mungkin dapat diprediksi nilai spin inti, I. Selain metode untuk untuk menghitung garis struktur hyperfine struktur hyperfine,, metode lain dikembangkan untuk menemukan I . Hasilnya adalah hubungan tertutup antara I dan nomor massa dari inti atom. Hubungan itu mengimplikasikan hukum dibawah ini: Inti atom dengan nomor massa ganjil memiliki spin nuklir setengah dari bilangan ganjil dan untuk inti atom dengan nomor massa genap memiliki spin nuklir nol atau bilangan bulat. Untuk nomor massa ganjil: I ganjil: I = = 1 , 3 , 5 , 7 , ....., 2 2 2 2 Untuk nomor massa genap: I genap: I = = 0,1, 2, 3,4, ....., Hasil eksperimen yang diberikan di atas mengarah kepada satu dari kelemahan hipotesis proton electron. Perhatikan kasus, sebagai contoh 7 N14 yang memiliki nomor massa A = 14 dan nomor atom Z = 7. Sesuai dengan hipotesis proton electron, inti dari 7 N
14
akan memiliki 14 proton dan 7 elektron dari total 21 partikel. Karena electron dan
Inti Atom
12
proton masing-masing memiliki spin ½, inti 7 N14 seharusnya memiliki spin pecahan ganjil, tetapi secara eksperimental ditemukan memiliki spin bulat (I = 1). Spin yang diprediksi oleh hipotesis model inti proton-elektron pada akhirnya bertentangan dengan hukum yang sudah dinyatakan sebelumnya. Ada banyak isotop yang lain yang menunjukan kontradiksi seperti ini. Beberapa isotop seperti Cd (Z = 8) and pb (Z = 82) memiliki nomor massa ganjil dan sesuai dengan aturan di atas inti ini seharusnya memiliki spin bulat atau nol; tetapi secara eksperimen inti ini memiliki spin pecahan ganjil.
b.
Momen Magnetik
Momentum sudut (spin) inti dapat ditentukan dalam arah tertentu di samping dengan analisis struktur hyperfine dari spektrum garis dan spin beberapa bahan isotop. Hasilnya bahwa spin semua inti dengan massa atom ganjil adalah kelipatan ½ h/2 sehingga inti yang bernomor genap memiliki spin 0 atau kelipatan ganjil dari h/2 dan biasanya spin inti disimbulkan dengan I, sebuah momen magnetik dihubungkan dengan spin inti seperti spin elektron, karena inti juga bermuatan listrik dan rotasi partikel bermuatan membangkitkan momen magnetik. Partikel bermuatan jika dia bergerak maka akan mengahsilkan momen magnet. Besar
momen
B
magnet
eh 4 me c
elektron
eh
dinyatakan
927 x10 20 0,927
2 me c
dengan
magneton
Bohr
yaitu:
erg gauss
Dimana e adalah energi elektron me
adalah massa elektron
e
adalah kecepatan cahaya
927 x10 20 Nilai 0,927
erg gauss
ini disebut magneton Bhor atau momen magnetik
elektron, jika teori yang sama menghasilkan ini diterima berlaku untuk proton, seharusnya proton yang bermassa 1836 kali massa elektron akan memiliki momen magnetik sebesar momen magnet elektron atau
N
eh 4 m p c
B 1836
5,05 x10 24
erg gauss
Dimana m p adalah massa proton, N adalah magneton nuklir dan nilai ini disebut momen magnetik nuklir. Jika elektron berada di dalam inti, maka dia memiliki momen magnet yang besarnya sama dengan magneton Bohr. Tetapi pada hasil eksperimen, momen
Inti Atom
13
magnet inti jauh lebih kecil dari magneton Bohr, sehingga dipandang dari konsep momen magnet, maka elektron yang berada dalam inti diragukan. Momen magnetik dari inti atom diberikan oleh persamaan: I g I I ( I 1)
e 2m p c
dimana g I adalah faktor g nuklir. Rasio dari momen magnetik nuklir dalam hal ini adalah magneton nuklir terhadap momentum anguler nuklir dinamakan rasio gyromagnetik dengan persamaan matematis yaitu:
g I Ih
I
e 2m p c
Ih
g I
e 2m p c
Jika momen magnet inti diberikan medan magnet maka akan berubah memiliki sejumlah energi: U g 1 m I
eh 4 m p c
H
Dari eksperimen diperoleh nilai rata-rata momen magnet sebesar:
1
m I I
g 1 I
eh 4m p c
H
Ketika inti atom diberi medan maka dihasilkan struktur hyperfine, kemudian dilakukan pemisahan sturktur hiperfine dan menghasilkan panjang gelombang, Δλ =1/100000.
c.
Mekanika Gelombang
Dari sudut pandang mekanika gelombang, panjang gelombang sebuah elektron diberikan oleh persamaan de Broglie, yaitu:
h p
h me v
dimana p, p, me, dan v berturut-turut adalah momentum, massa elektron, dan kecepatan elektron. Secara logika, jika elektron berada dalam inti, dia akan memilki dimensi yang lebih kecil atau akan sama dengan dimensi inti. Dimensi inti = 2R, maka elektron juga harus memiliki dimensi 2R atau sama dengan 1,2 x 10 -12 cm. Tetapi dalam eksperimen mekanika gelombang dieroleh tidak sama. Berdasarkan hubungan dimensi ketidakpastian adalah:
Inti Atom
14
Δ x Δp x Δp ≥ h Di mana Δx dan Δ p adalah ketidakpastian posisi dan momentum pada elektron. Karena jari-jari untuk inti yang tipis dengan nomor massa 200 adalah 0,6 x 10 -12 cm. Momentum elektronnya adalah: Δp ~
h
x
6.6 10 27erg sec 1.2 10 12c
5.5 10 15
erg sec cm
Dari beberapa dugaan, di peroleh energi elektron E dengan menggunakan hubungan: hubungan: E 2 p 2 c 2 m 02 c 4
Di mana m0c2 adalah massa energi pada elektron. Diasumsikan bahwa momentum p tidak lebih besar dari Δp. E2 = (5.5 x 10 -15)2 (3 x 10-10)2 + (9.1 x 10 -28)2 (3 x 10 10)
16.5 10 5 6.6 10 13 erg 2 2
2.7 10 8 6.5 10 13 erg 2 Sehingga energi elektron yang berada dalam inti dengan asumsi momentum tidak lebih dari Δp adalah
E = 1.65 10
4
erg
1.65 104 erg 1.6 10
12
erg / ev
10.5 107 ev
E = 105 Mev Namun, seharusnya dari hasil percobaan yang didapat, energi elektron berada pada 2-3 Mev. Sehingga konsep ini masih diragukan karena tidak sesuai dengan percobaan. Dari keseluruhan konsep-konsep ini membuktikan bahwa elektron harus keluar dari inti, atau tidak ada dalam inti, sehingga hipotesis proton-elektron tersebut gagal. Kesimpulan yang dapat ditarik dari pemaparan di atas adalah bahwa ketiga argument di atas yaitu momentum anguler inti, momen magnetik, dan mekanika gelombang menyatakan bahwa model proton-elektro tidak benar. Elektron harus eksis hanya pada bagian luar inti atom. Sanggahan terakhir terhadap hipotesis proton elektron datang dari penemuan neutron oleh Chadwick. Hal ini penting karena penemuan neutron merupakan point penting menuju penemuan neutron yang lebih mendetail lagi, karena penemuan ini memimpin kemunculan model inti atom dari poton-neutron.
Inti Atom
15
2.4 Penemuan Neutron
Indikasi pertama tentang keberadaan neutron ditemukan oleh Rutherford pada tahun 1920. Menurut pendapat Rutherford, neutron disusun oleh sebuah poton dan sebuah elektron dalam kombinasi tertutup. Rangkaian eksperimen yang memimpin menuju penemuan neutron dilakukan oleh Chadwick pada tahun 1932. 1932. Lebih lanjut, ditunjukkan oleh W. Bothe dan H. Becker pada tahun 1930 bahwa beberapa unsur-unsur memancarkan cahaya seperti unsure beryllium dan boron, ketika ditembakkan dengan partikel alfa yang berasal darisumber radioaktif alam seperti polonium, memancarkan radiasi dengan daya tembus yang besar terhadap suatu bahan. Lebih lanjut observasi terhadap radiasi ini, diperoleh bahwa:
dapat menembus material berupa lapisan yang tebal.
tidak mengalami ionisasi
radiasi tidak dipengaruhi oleh medan listrik dan medan magnet.
tidak meninggalkan bekas dalam cloud chamber (kamar kabut)
memiliki energi foton yang tinggi. Jika partikel alpha dari polonium, misalnya yang memiliki energi kinetik K yang
sama dengan 5,3 Mev, akan memunculkan persamaan reaksi berikut.
Be 9 2 He 4 K 3 6 C 13 6 C 13 hv
4
Dari reaksi diatas dapat dijelaskan bahwa penembakan partikel alpha terhadap bereluim akan menghasilkan
6
C 13
dan melepskan energi sebesar hv.
Energi tersebut dapat dihitung dengan formula:
E mc 2 13
Energi yang dilepas dari partikel anak
6
C
diperkirakan 2 MeV maka energi
maksimum dari reaksi tersebut adalah 14 MeV. Untuk menentukan energi radiasinya dapat dilakukan dengan formula:
E sebelm E sesudah MBe C 2 KnC m C 2 K M c C 2 KC hv ( MBe M Mc)C 2 K Kc hv (9,01505 4,00387 13,00748) X 931,4 MeV 5,3 MeV 2 MeV hv (10,7 MeV ) 5,3 MeV 2 MeV hv 14 MeV hv Energi tersebut tidak sesuai dengan yang dimiliki proton sehingga ia beranggapan ada sesuatu yang bukan proton. Jadi dapat disimpulkan bahwa hasil dari peluruhan dari
Inti Atom
16
unsur radioaktif alam yang yang memiliki energi tinggi tinggi akan memancarkan sinar gamma gamma bukan radiasi sinar α. Sehingga eksperimen Bhote dan Becker gagal. Apabila radiasi yang tidak diketahui diasumsikan sebagai sebuah foton yang memiliki energi tinggi, kemudian bertumbukan dapat diperlakukan sama seperti tumbukan Compton antara sebuah foton dan sebuah inti. Jika pada mulanya foton memiliki energi sebesar h , maka energi h ' yaitu energi hamburan yang dimiliki oleh foton setelah mengalami tumbukan dengan inti yang bermassa m adalah: h
h ' 1
h mc 2
1 c os
Dimana, adalah sudut antara hamburan foton dengan arah mula-mula dari foton tersebut. Oleh karena itu, energi yang dimiliki oleh inti setelah hamburan diberikan oleh persamaan:
1 ' h h h 1 h 1 c os 1 2 mc Nilai maksimum energi partikel hasil akan diperolah apabila sudut hamburan adalah
cos 180 sehingga cos 1 , dan
2 ' h h h 2 mc 2 h
Hipotesis Tentang Neutron. Untuk menentukan massa neutron dapat diperoleh dengan menggabungkan konsep hukum kekekalan energi kinetik dan hukum kekekalan momentum. Hukum kekekalan energi kinetik:
1
1 1 m1u 2 m1u12 m2 u 22 .......... ..1 2 2 2
Hukum kekekalan momentum: m1u m1u1 m2 u 2 .......... ..2 Dengan mengeliminasi u 1 dari kedua persamaan, maka diperoleh: u2
Inti Atom
2m1 m1 m2
u .......... 3
17
Kita gunakan persamaan (3) untuk kasus hidrogren dan nitrogen, maka akan diperoleh kecepatan maksimum u p dan u N berturut-turut adalah:
u p
2m m 1
u .......... 4
dan
u N
2m m 14
u .......... 5
dimana m adalah massa neutron, massa proton dan neutron diambil berturut-turut adalah 1 amu dan 14 amu. Dengan membagi persamaan (4) dengan persamaan (5), maka diperoleh:
m 14 m 1
u p u N
3,3 109 cm s , jadi m 1,15 amu 4,7 108 cm s
2.5 Model Proton-Neutron dari Inti Atom
Model proton-elektron yang menggambarkan inti atom masih belum dapat menjelaskan tentang fakta-fakta eksperimental yang ditemukan. Masalah utama muncul karena asumsi bahwa ada elektron yang muncul di dalam inti atom. Sebelumnya, penemuan neutron, tidak ada alternatif alternat if yang dapat menjelaskan untuk menghitung muatan Z dari inti atom dengan nomor massa A, kecuali mrnggabungkan A-Z elektron di dalam inti atom untuk menetralkan muatan A-Z proton. Hal ini menghasilkan muatan positif Z pada inti atom. Bagaimanapun, penemuan neutron mengubah keseluruhan gambaran tentang atom. Heisenberg mengusulkan bahwa partikel baru yaitu neutron adalah unsur pokok dari semua material. Menurut pendapatnya, semua inti atom tersusun atas proton dan neutron, dengan tidak ada elektron yang berada pada inti atom. Massa neutron hampir sama dengan massa proton dan muatannya adalah nol. Selain itu, massa dari inti atom akan selalu sebanding dengan jumlah massa dari proton dan neuron yang berada di dalam inti atom dan muatannya akan sama dengan muatan total dari proton. Munculnya nama nukleon diperoleh dari nama proton dan neutron. Oleh karena itu, jika terdapat A nukleon di dalam inti atom dan kemudian terdapat Z proton, proton, maka akan terdapat A-Z neutron. Meskipun neutron tidak memiliki muatan, dia memiliki momen magnetik yang bernilai negatif, yang mengakibatkan bilangan kuantum spin dan vektor momen magnetiknya memiliki arah yang berlawanan.
Inti Atom
18
Model proton-elektron dapat menjelaskan semua kesulitan yang tidak dapat dijelaskan oleh model proton-elektron. Pertama, oleh karena di dalam inti atom hanya ada A partikel, setiap partikel memiliki blangan spin nuklir sebesar 1 , prediksi teoritik ini 2 sejalan dengan hasil eksperimen. Inti atom dengan nomor massa yang ganjil memiliki spin nuklir 1 dari bilangan ganjil. Sedangkan untuk nomor massa genap memiliki spin nuklir 2 bilagan bulat. Contohnya pada kasus
7
N 14 , maka sesuai dengan model proron – neutron neutron
jumlah nukleon adalah 14, 7 proton, dan 7 neutron. Unsur 7 N 14 memiliki spin nuklir bulat positif yang sesuai dengan hasil eksperimen yaitu I = 1. Kedua, sesuai dengan model proton-neutron, bahwa tidak ada elektron yang terdapat di dalam inti atom, oleh karena itu tidak diharapkan momen magnetik dari inti atom akan menjadi magneton Bhor. Hal ini disetujui karena sesuai dengan nilai eksperimental dari I . Terakhir, sejak massa neutron pendekatannya sama dengan massa proton, hal ini mungkin untuk neutron berada pada inti atom, sesuai dengan prinsip ketidakpastian. Ada satu pertanyaan penting yang masih belum bisa dijawab. Proton, dengan muatan positif, menolak satu sama lain dan mereka mencoba untuk mengganggu inti atom. Hal ini diasumsikan bahwa beberapa tipe gaya nuklir memegang proton, hal ini juga berlaku sama terhadap neutron. Sebuah inti atom (nuklir) terdiri dari proton dan neutron yang saling terikat sangat kuat. Gaya elektromagnet yang menyebabkan semacam arus (muatan), (muatan), mencegah proton membentuk ikatan tanpa neutron (gaya elektromagnetik tersebut akan menghancurkan inti nuklir semacam itu yang dinamakan ikatan tanpa neutron). Ketika neutron dan proton berada dalam jarak yang sangat dekat, mereka ditahan oleh gaya nuklir kuat. Gaya nuklir kuat ini sangat kuat bila dibandingkan dengan gaya gravitasi atau dengan gaya elektromagnet, akan tetapi karena gaya nuklir kuat ini hanya bekerja dalam jarak yang sangat pendek (berlawanan dengan gaya gravitasi dan elektromagnet yang mempunyai jangkauan tak terhingga) kita tidak dapat merasakannya dalam kehidupan sehari hari.
Inti Atom
19
BAB III PENUTUP
3.1 Simpulan
1. Menurut teori yang dikemukakan oleh Democritus, Democritus, suatu benda dapat dibagi dibagi menjadi bagian-bagian yang sangat kecil yang akhirnya tidak dapat dibagi lagi yang disebut atom. Kata atom berasal dari bahasa Yunani yaitu “atomos” atomos” yang berarti “tidak dapat dibagi” dibagi”. 2. Teori atom mengalamai perkembangan yang sangat pesat dimulai dari Dalton, Thomson, Rutherford, Bohr, hingga model atom modern. 3. Model proton elektron meyakini secara umum bahwa inti atom disusun oleh proton dan elektron. Sebuah atom tersusun atas A prorton dan A-Z elektron. Model proton elektron tidak dapat bertahan lama karena tidak mampu menjelaskan beberapa fakta ekperimental baru yang bisa dipercaya keakuratannya. 4. Indikasi pertama tentang keberadaan neutron ditemukan oleh oleh Rutherford yaitu bahwa neutron disusun oleh sebuah poton dan sebuah elektron dalam kombinasi tertutup. Rangkaian eksperimen yang memimpin menuju penemuan neutron dilakukan oleh Chadwick pada tahun 1932. 5. Model proton-elektron dapat dapat menjelaskan semua kesulitan yang yang tidak dapat dijelaskan oleh model proton-elektron sehingga dapat diterima oleh para pakar Fisika. Teori ini pada intinya neutron adalah unsur pokok dari semua material. Semua inti atom tersusun atas proton dan neutron, dengan tidak ada elektron yang berada pada inti atom.
3.2 Saran
1. Ilmu dan teknologi tentang atom hendaknya dimanfaatkan dengan sebaik-baiknya untuk menunjang kehidupan manusia di dunia ini. 2. Kita sebagai penerus di bidang Fisika jangan pernah sampai melupakan perjuangan para Fisikawan terdahulu tentang atom, lokal meskipun sekarang sudah memasuki zaman global. 3. Ilmu dan teknologi dimanfaatkan untuk kesejahteraan manusia, bukan untuk saling menghancurkan.
Inti Atom
20
