FISIKA MODEREN (ATOM)

BAB I

PENDAHULUAN

Atom adalah suatu satuan dasar materi, yang terdiri atas inti atom serta awan elektron bermuatan negatif yang mengelilinginya. Inti atom terdiri atas proton yang bermuatan positif, dan neutron yang bermuatan netral (kecuali pada inti atom Hidrogen-1, yang tidak memiliki neutron). Elektron-elektron pada sebuah atom terikat pada inti atom oleh gaya elektromagnetik. Sekumpulan atom demikian pula dapat berikatan satu sama lainnya, dan membentuk sebuah molekul. Atom yang mengandung jumlah proton dan elektron yang sama bersifat netral, sedangkan yang mengandung jumlah proton dan elektron yang berbeda bersifat positif atau negatif dan disebut sebagai ion. Atom dikelompokkan berdasarkan jumlah proton dan neutron yang terdapat pada inti atom tersebut. Jumlah proton pada atom menentukan unsur kimia atom tersebut, dan jumlah neutron menentukan isotop unsur tersebut.

Istilah atom berasal dari Bahasa Yunani (ἄτομος/átomos, α-τεμνω), yang berarti tidak dapat dipotong ataupun sesuatu yang tidak dapat dibagi-bagi lagi. Konsep atom sebagai komponen yang tak dapat dibagi-bagi lagi pertama kali diajukan oleh para filsuf India dan Yunani. Pada abad ke-17 dan ke-18, para kimiawan meletakkan dasar-dasar pemikiran ini dengan menunjukkan bahwa zat-zat tertentu tidak dapat dibagi-bagi lebih jauh lagi menggunakan metode-metode kimia. Selama akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20, para fisikawan berhasil menemukan struktur dan komponen-komponen subatom di dalam atom, membuktikan bahwa 'atom' tidaklah tak dapat dibagi-bagi lagi. Prinsip-prinsip mekanika kuantum yang digunakan para fisikawan kemudian berhasil memodelkan atom.

Dalam pengamatan sehari-hari, secara relatif atom dianggap sebuah objek yang sangat kecil yang memiliki massa yang secara proporsional kecil pula. Atom hanya dapat dipantau dengan menggunakan peralatan khusus seperti mikroskop gaya atom. Lebih dari 99,9% massa atom berpusat pada inti atom,dengan proton dan neutron yang bermassa hampir sama. Setiap unsur paling tidak memiliki satu isotop dengan inti yang tidak stabil, yang dapat mengalami peluruhan radioaktif. Hal ini dapat mengakibatkan transmutasi, yang mengubah jumlah proton dan neutron pada inti.Elektron yang terikat pada atom mengandung sejumlah aras energi, ataupun orbital, yang stabil dan dapat mengalami transisi di antara aras tersebut dengan menyerap ataupun memancarkan foton yang sesuai dengan perbedaan energi antara aras. Elektron pada atom menentukan sifat-sifat kimiawi sebuah unsur, dan memengaruhi sifat-sifat magnetis atom tersebut.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1. Partikel Elementer

Kombinasi proton-neutron-elektron membentuk atom, kombinasi atom membentuk molekul, kumpulan molekul membentuk senyawa atau campuran ataupun larutan yang secara kasat mata bisa kita lihat.

Partikel penyusun Inti atom :

• Inti atom mempunyai muatan yang besarnya sama dengan muatan elektron yang mengelilinginya.

• Hampir seluruh massa atom (99,9%) terkonsentrasi pada inti atom, dan massa atom merupakan kelipatan bilangan bulat dari massa atom hidrogen.

Berdasarkan kenyataan ini, dipikirkan model inti, sebagai berikut:

• Model proton: Suatu inti atom mengandung A (bil bulat) proton (satuan mendasar muatan positif). Ini berarti, muatan inti = Ae. Karena A tidak sama dengan Z, maka model ini ditolak.

• Model Proton-elektron: Dalam inti terdapat A proton dan (A-Z) elektron. Massanya sesuai, dan muatan juga sesuai. Akan tetapi, adanya elektron dalam inti melanggar asas ketidakpastian, yang menghendaki elektron-elektron mempunyai energi kinetik sangat tinggi. Spin intrinsik inti atom juga tidak terpenuhi. Jadi, model ini ditolak.

• Model Proton-Netron: Tahun 1932 ditemukan netron, yaitu partikel dengan massa sedikit lebih besar dari massa proton, tetapi tidak bermuatan. Menurut model ini, inti terdiri dari Z proton dan (A-Z) netron. Massanya A dan muatannya Ze. Proton dan netron ini disebut nukleon. Model inilah yang diterima sebagai model inti atom.

Elektron

Elektron merupakan partikel dasar penyusun atom yang pertama kali ditemukan. Elektron ditemukan oleh Joseph John Thompson pada tahun 1897.

Sifat-sifat Sinar Katoda:

• Sinar katoda dihasilkan akibat adanya aliran listrik bertekanan tinggi yang melewati plat logam.
• Sinar katoda berjalan lurus menuju anoda.
• Sinar katoda menimbulkan efek fluoresens (pendar) sehingga keberadaannya terdeteksi.
• Sinar katoda bermuatan negatif sehingga dapat dibelokkan oleh medan listrik dan medan magnet.
• Sinar katoda yang dihasilkan tidak tergantung dari bahan pembuat plat logam.

Sifat-sifat yang mendukung yang dihasilkan oleh sinar katoda menyebabkan sinar katoda digolongkan sebagai partikel dasar atom dan disebut sebagai elektron.

Joseph John Thomson selanjutnya melakukan penelitian untuk menentukan perbandingan harga muatan elektron dan massanya (e/m). Hasil penelitian menunjukkan bahwa sinar katoda dapat dibelokkan oleh medan listrik dn medan magnet. Pembelokan memungkinkan pengukuran jari-jari kelengkungan secara tepat sehingga perbandingan harga muatan elektron dan massanya dapat ditentukan sebesar 1,76×108 coulomb/gram.

Robert Millikan pada tahun 1909 melakukan penelitian penentuan muatan elektron menggunakan tetes minyak. Penelitian membuktikan bahwa tetes minyak dapat menangkap elektron sebanyak satu atau lebih. Millikan selanjutnya menemukan bahwa muatan tetes minyak berturut-turut 1x(-1,6.10-19), 2x(-1,6.10-19), 3x(-1,6.10-19) dan seterusnya. Karena muatan tiap tetes minyak adalah kelipatan 1,6.10-19C maka Millikan menyimpulkan bahwa muatan satu elektron sebesar -1,6.10-19C.

Hasil penelitian yang dilakukan Joseph John Thompson dan Robert Millikan memungkinkan untuk menghitung massa elektron secara tepat.

Eugene Goldstein pada tahun 1886 melakukan percobaan dan menemukan partikel baru yang disebut sebagai sinar kanal atau sinar positif.

Reaksi yang terjadi adalah

Beberapa sifat sinar kanal/sinar positif adalah:

• Sinar kanal merupakan radiasi partikel- sinar kanal dibelokkan ke arah kutub negatif apabila dimasukkan kedalam medan listrik atau medan magnet-sinar kanal bermuatan positif.
• Sinar kanal mempunyai perbandingan harga muatan elektron dan massa (e/m) lebih kecil dari perbandingan harga muatan elektron dan massa (e/m) elektron.
• Sinar kanal mempunyai perbandingan harga muatan elektron dan massa (e/m) yang tergantung pada jenis gas dalam tabung.

Contoh soal:
Tentukan muatan oksigen apabila kedalam tabung sinar kanal dimasukkan gas oksigen dengan massa 1 atomnya sebesar 16 sma dan akibat adanya tumbukan dengan sinar katoda yang dihasilkan, 2 elektron lepas dari atom oksigen.

Jawab:
Karena terjadi pelepasan 2 elektron, maka muatan 1 atom oksigen = 2.

Netron

Penelitian yang dilakukan Rutherford selain sukses mendapatkan beberapa hasil yang memuaskan juga mendapatkan kejanggalan yaitu massa inti atom unsur selalu lebih besar daripada massa proton didalam inti atom. Rutherford menduga bahwa terdapat partikel lain didalam inti atom yang tidak bermuatan karena atom bermuatan positif disebabkan adanya proton yang bermuatan positif. Adanya partikel lain didalam inti atom yang tidak bermuatan dibuktikan oleh James Chadwick pada tahun 1932. Chadwick melakukan penelitian dengan menembak logam berilium menggunakan sinar alfa. Hasil penelitian menunjukkan bahwa suatu partikel yang tak bermuatan dilepaskan ketikan logam berilium ditembak dengan sinar alfa dan partikel ini disebut sebagai netron. Reaksi yang terjadi ketika logam berilium ditembak dengan sinar alfa adalah

Netron tak bermuatan dan bermassa 1 sma (pembulatan).

2.2 Struktur Atom dan Inti atom

Ernest Rutherford pada tahun 1911 menemukan inti atom. W. C. Rontgen yang menemukan sinar x pada tahun 1895 dan penemuan zat radioaktif oleh Henry Becquerel mendasari penemuan Rutherford. Zat radioaktif merupakan zat yang dapat memancarkan radiasi spontan, misalnya uranium, radium dan polonium. Radiasi atau sinar yang dipancarkan oleh zat radioaktif disebut sinar radioaktif. Sinar radioaktif yang umum dikenal adalah sinar alfa (α), sinar beta (β) dan sinar gama (γ).

Rutherford selanjutnya menyimpulkan bahwa inti atom bermuatan positif.
Hasil penelitian membuat Rutherford secara umum mengemukakan bahwa:

• Atom terdiri atas inti atom yang bermuatan positif yang merupakan pusat massa atom
• Elektron diluar inti atom mengelilingi inti atom dan berjumlah sama dengan muatan inti atom sehingga suatu atom bersifat netral.

Pusat dari atom disebut inti atom atau nukleus. Inti atom terdiri dari proton dan neutron. Banyaknya proton dalam inti atom disebut nomor atom, dan menentukan elemen dari suatu atom.

Nomor massa, juga dikenal sebagai nomor massa atom atau nomor nukleon, adalah jumlah proton dan neutron di dalam inti atom.

Partikel-partikel pembentuk inti atom adalah proton (₁P¹) dan netron ( ₀n¹). Kedua partikel pembentuk inti atom ini disebut juga nukleon.

Simbol nuklida : _ZX^A atau _Z^AX dengan

A = nomor massa

Z = jumlah proton dalam inti = jumlah elektron di kulit terluar

N = A - Z = jumlah netron di dalam inti atom

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. 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.

2.2.1 Isotop, Isoton, Isobar

Isotop adalah bentuk dari unsur yang nukleusnya memiliki nomor atom yang sama - jumlah proton di nukleus - tetapi dengan massa atom yang berbeda karena mereka memiliki jumlah neutron yang berbeda.

Isotop merupakan unsur atom sama dengan nomor massa berbeda, isobar adalah unsur atom yang berbeda namun memiliki nomor massa yang sama, sedangkan isoton adalah unsur atom yang berbeda namun memiliki jumlah neutron yang sama.

Kata isotop, berarti di tempat yang sama, berasal dari fakta bahwa seluruh isotop dari sebuah unsur terletak di tempat yang sama dalam tabel periodik.

Secara bersama, isotop-isotop dari unsur-unsur membentuk suatu set nuklida. Sebuah nuklida adalah satu jenis tertentu nukleus atom, atau lebih umum sebuah aglomerasi proton dan neutron. Lebih tepat lagi untuk mengatakan bahwa sebuah unsur seperti fluorine terdiri dari satu nuklida stabil dan bukan dia memiliki satu isotop stabil.

Dalam nomenklatur ilmiah, isotop (nuklida) dispesifikasikan berdasarkan nama unsur tertentu oleh sebuah "hyphen" dan jumlah nukleon (proton dan neutron) dalam nukleus atom (misal, helium-3, karbon-12, karbon-14, besi-57, uranium-238). Dalam bentuk simbolik, jumlah nukleon ditandakan sebagai sebuah prefik naik-ke-atas terhadap simbol kimia (misal, ³He, ¹²C, ¹⁴C, ⁵⁷Fe, ²³⁸U).

2.2.2 Sifat Inti Atom

Berdasarkan definisi, dua atom dengan jumlah proton yang identik dalam intinya termasuk ke dalam unsur kimia yang sama. Atom dengan jumlah proton sama namun dengan jumlah neutron berbeda adalah dua isotop berbeda dari satu unsur yang sama. Sebagai contohnya, semua hidrogen memiliki satu proton, namun terdapat satu isotop hidrogen yang tidak memiliki neutron (hidrogen-1), satu isotop yang memiliki satu neutron (deuterium), dua neutron (tritium), dll. Hidrogen-1 adalah bentuk isotop hidrogen yang paling umum. Kadang-kadang ia disebut sebagai protium.Semua isotop unsur yang bernomor atom lebih besar daripada 82 bersifat radioaktif.

Dari sekitar 339 nuklida yang terbentuk secara alami di Bumi, 269 di antaranya belum pernah terpantau meluruh.Pada unsur kimia, 80 dari unsur yang diketahui memiliki satu atau lebih isotop stabil. Unsur 43, 63, dan semua unsur lebih tinggi dari 83 tidak memiliki isotop stabil. Dua puluh tujuh unsur hanya memiliki satu isotop stabil, manakala jumlah isotop stabil yang paling banyak terpantau pada unsur timah dengan 10 jenis isotop stabil.

Karena mayoritas massa atom berasal dari proton dan neutron, jumlah keseluruhan partikel ini dalam atom disebut sebagai nomor massa. Massa atom pada keadaan diam sering diekspresikan menggunakan satuan massa atom (u) yang juga disebut dalton (Da). Satuan ini didefinisikan sebagai seperduabelas massa atom karbon-12 netral, yang kira-kira sebesar 1,66 × 10⁻²⁷ kg.Hidrogen-1 yang merupakan isotop teringan hidrogen memiliki bobot atom 1,007825 u.Atom memiliki massa yang kira-kira sama dengan nomor massanya dikalikan satuan massa atom.Atom stabil yang paling berat adalah timbal-208,dengan massa sebesar 207,9766521 u.

Para kimiawan biasanya menggunakan satuan mol untuk menyatakan jumlah atom. Satu mol didefinisikan sebagai jumlah atom yang terdapat pada 12 gram persis karbon-12. Jumlah ini adalah sekitar 6,022 × 10²³, yang dikenal pula dengan nama tetapan Avogadro. Dengan demikian suatu unsur dengan massa atom 1 u akan memiliki satu mol atom yang bermassa 0,001 kg. Sebagai contohnya, Karbon memiliki massa atom 12 u, sehingga satu mol karbon atom memiliki massa 0,012 kg.

Atom tidak memiliki batasan luar yang jelas, sehingga dimensi atom biasanya dideskripsikan sebagai jarak antara dua inti atom ketika dua atom bergabung bersama dalam ikatan kimia. Jari-jari ini bervariasi tergantung pada jenis atom, jenis ikatan yang terlibat, jumlah atom di sekitarnya, dan spin atom.Pada tabel periodik unsur-unsur, jari-jari atom akan cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya periode (atas ke bawah). Sebaliknya jari-jari atom akan cenderung meningkat seiring dengan menurunnya nomor golongan (kanan ke kiri).Oleh karena itu, atom yang terkecil adalah helium dengan jari-jari 32 pm, manakala yang terbesar adalah sesium dengan jari-jari 225 pm.Dimensi ini ribuan kali lebih kecil daripada gelombang cahaya (400–700 nm), sehingga atom tidak dapat dilihat menggunakan mikroskop optik biasa. Namun, atom dapat dipantau menggunakan mikroskop gaya atom.

Ukuran atom sangatlah kecil, sedemikian kecilnya lebar satu helai rambut dapat menampung sekitar 1 juta atom karbon.Satu tetes air pula mengandung sekitar 2 × 10²¹ atom oksigen.Intan satu karat dengan massa 2 × 10^-4 kg mengandung sekitar 10²² atom karbon.Jika sebuah apel diperbesar sampai seukuran besarnya Bumi, maka atom dalam apel tersebut akan terlihat sebesar ukuran apel awal tersebut

2.2.3 Jari-Jari Atom

Jari-jari atom merupakan jarak elaktron terluar ke inti atom dan menunjukan ukuran suatu atom. Jari-jari atom sukar diukur sehingga pengukuran jari-jari atom dilakukan dengan cara mengukur jarak inti antar dua atom yang berikatan sesamanya.

Kecenderungan jari-jari atom pada tabel periodic

Pola kecenderungan jari-jari atom tergantung dari jenis jari-jari atom mana yang ingin kita ukur – tapi pada prinsipnya pola seluruhnya sama.

Diagram-diagram di bawah ini menunjukkan jari-jari logam untuk elemen-elemen logam, jari-jari kovalen untuk elemen-elemen yang membentuk ikatan kovalen dan jari-jari van der Waals untuk elemen-elemen yang tidak membentuk ikatan (misalnya unsur gas mulia).

Kecenderungan jari-jari atom pada suatu golongan

Kita dapat segera memperkirakan bahwa jari-jari atom pada golongan yang sama akan semakin besar jika letak atom itu pada tabel periodik semakin di bawah. Alasannya cukup kuat – karena kulit elektron semakin bertambah.

Kecenderungan jari-jari atom menyusun satu periode

Kita perlu mengabaikan jari-jari gas mulia pada setiap periode. Karena neon dan argon tidak membentuk ikatan, kita hanya dapat mengukur jari-jari van der Waals – di mana ikatannya sangatlah lemah. Seluruh atom-atom lainnya jari-jari atom diukur berdasarkan jarak yang lebih kecil dikarenakan oleh kuatnya ikatan yang terbentuk. Kita tidak dapat membandingkan “suatu sifat yang sama” jika kita mengikutsertakan gas mulia.

Kecuali gas mulia, atom akan semakin kecil menyusur satu periode.

Dari litium ke flor, elektron seluruhnya berada pada level dua, yang dihalangi oleh elektron pada 1s2. Peningkatan jumlah proton pada nukleus seiring dengan menyusurnya periode akan menarik elektron-elektron lebih kuat. Kecenderungan pada energi ionisasi yang naik turun tidak kita temui pada radius atom.

Pada periode dari Natrium ke Klor, kita juga akan menemukan kecenderungan yang sama. Besar atom dikontrol oleh elektron-elektron pada tingkat ke 3 yang tertarik semakin dekat ke nukleus seiring dengan meningkatnya jumlah proton.

Kecenderugan pada elemen-elemen transisi

Walaupun pada awal dari elemen-elemen transisi, jari-jari atom sedikit mengecil, besar jari-jari atom hampir seluruhnya sama.

Dalam hal ini, besar dari jari-jari atom ditentukan oleh elektron-elektron 4s. Penarikan karena naiknya jumlah proton pada nukleus berkurang karena adanya penghalang tambahan yaitu bertambahnya elektron-elektron pada orbital 3d.

Memang hal ini agak sedikit membingungkan. Kita telah mempelajari bahwa orbital-orbital 4s memiliki tingkat energi lebih tinggi daripada 3d – di mana kebalikannya elektron akan menempati 4s sebelum 3d. Artinya, elektron-elektron 4s dapat kita simpulkan berada pada luar atom dan menentukan besarnya atom. Hal ini juga berarti orbital 3d berada lebih dekat dengan nukleus daripada 4s dan berperan sebagai penghalang.

Radius Ion

Ion-ion tidak memiliki besar yang sama dengan atom asalnya. Bandingkan besarnya ion natrium dan klor dengan atom natrium dan klor.

Jenis-jenis jari-jari atom

Terdapat beberapa jenis jari-jari atom yang digunakan untuk menyatakan jarak dari inti atom ke lintasan stabil terluar dari elektronnya, di antaranya adalah jari-jari kovalen, jari-jari logam dan jari-jari van der Waals. Ketiganya dipilih disebabkan oleh perbedaan dari sifat-sifat elemen yang akan diukur.

a. Jari-jari kovalen

Jari-jari atom diukur menggunakan jari-jari kovalen untuk elemen-elemen yang memiliki jenis ikatan kovalen. Umumnya elemen-elemen ini merupakan elemen-elemen non-logam. Secara teknis jarak yang diukur adalah setengah dari jarak internuklir antara dua atom bertetangga terdekat dalam kisi-kisi kristal.

Jari-jari kovalen untuk elemen-elemen yang tidak dapat berikatan dapat diperkirakan dengan melakukan kombinasi jari-jari dari elemen-elemen yang dapat berikatan dalam molekul untuk atom-atom yang berbeda.

b. Jari-jari logam

Jari-jari atom diukur menggunakan jari-jari logam untuk elemen-elemen yang termasuk dalam elemen-elemen logam. Jari-jari logam adalah setengah jarak dari jarak internuklir terdekat dari atom-atom dalam kristal logam.

c. Jari-jari van der Waals

Jari-jari atom diukur menggunakan jari-jari van der Waals untuk elemen yang atom-atomnya tidak dapat saling berikatan. Contoh dari kelompok ini adalah gas mulia, di mana dikatakan bahwa atom-atom dari elemen ini tak termampatkan atau terpadatkan (unsquashed).

Mengukur Jari-Jari Inti atom

a. Dengan mengukur setengah dari jarak antara dua buah atom yang berapita
Tidak seperti halnya bola, sebuah atom tidak memiliki jari-jari yang tetap. Jari-jari atom hanya bisa didapat dengan mengukur setengah dari jarak antara dua buah atom yang berapitan.

Seperti halnya gambar diatas, pada atom yang sama kita bisa mendapatkan jari-jari yang berbeda tergantung dari atom yang berapitan dengannya.

Gambar pada bagian kiri menunjukkan atom yang berikatan. Kedua atom ini saling menarik satu sama lain sehingga jari-jarinya lebih pendek dibandingkan jika mereka hanya bersentuhan. Hal ini kita dapatkan pada atom-atom logam di mana mereka membentuk struktur logam atau atom-atomnya secara kovalen berikatan satu sama lain. Tipe dari jari-jari atom seperti ini disebut jari-jari (radius) logam atau jari-jari kovalen, tergantung dari ikatannya.

Gambar pada bagian kanan menunjukkan keadaan di mana kedua atom hanya bersentuhan. Daya tarik antar keduanya sangat sedikit. Tipe dari jari-jari atom seperti ini dinamakan jari-jari (radius) van der Waals di mana terjadi daya tarik yang lemah di antara kedua atom tersebut.

b. Dengan Menghamburkan Partikel Bermuatan

Salah satu cara untuk mengukur ukuran inti adalah dengan menghamburkan partikel bermuatan, seperti partikel alfa pada hamburan Rutherford. Selama partikel alfa masih di luar inti, rumus Rutherford tetap berlaku, begitu jarak terdekatnya lebih kecil daripada jari-jari inti, terjadi penyimpangan dari rumus Rutherford.

Gambar 1 Grafik Hamburan Rutherford dan Hamburan Nuklir

Pola Difraksi Hamburan Nuklir

Gambar 2 Pola Difraksi Hamburan Nuklir

Percobaan lain juga dapat digunakan untuk mengukur jari-jari inti.

Gambar 1 memperlihatkan semacam pola difraksi. Difraksi di sini sama dengan difraksi cahaya oleh celah bulat λ adalah panjang gelombang radiasi terhambur dan d adalah diameter.
Pada energi 420 MeV, elektron memiliki panjang gelombang deBroglie 2,95 fm, dan pengamatan minimum pada sekitar 440 untuk 16O dan 500 untuk 12C. Dari hasil itu bisa dihitung jari-jari 16O dan 12C sebesar 2,6 fm dan 2,3 fm.

2.2.4 Gaya Tarik Inti

Kita telah mengetahui bahwa proton dalam inti bermuatan positif dan muatan listrik yang sejenis akan tolak-menolak. Mengapa proton-proton tersebut terus terikat dalam inti atom ? para ahli memostulatkan adanya suatu gaya yang disebut gaya tarik inti yang mampu mengatasi gaya tolak-menolak antara proton dengan proton sehingga proton-proton tersebut terus terikat dalam inti.

Gaya tarik inti mempunyai beberapa sifat, yaitu :

1. bekerja dalam jarak pendek, yaitu dalam orde 10^-15 meter,

2. ntuk jarak yang lebih besar, gaya ini akan berharga nol,

3. merupakan gaya tarik terkuat jika dibandingkan dengan gaya-gaya lainnya, dan

4. interaksi antara dua partikel dapat dinyatakan dalam bentuk potensial.

Menurut Hideki Yukawa, gaya tarik ini terjadi akibat adanya partikel elementer lain yang disebut pion. Setiap nucleon terus-menerus memancarkan dan menyerap pion dan pion yang dipancarkan dapat menyeberang kembali ke nucleon induknya. Perpindahan momentum yang menyertai pergerakan ini setara dengan aksi gaya tersebut.

2.2.5 Energi Ikat Inti

Pusat dari atom disebut inti atom atau nukleus. Inti atom terdiri dari proton dan neutron. Banyaknya proton dalam inti atom disebut nomor atom, dan menentukan elemen dari suatu atom.

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. 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.

Energi pengikatan yang diperlukan oleh nukleon untuk lolos dari inti pada berbagai isotop.

Inti atom terdiri atas proton dan neutron yang terikat bersama pada pusat atom. Secara kolektif, proton dan neutron tersebut disebut sebagai nukleon (partikel penyusun inti). Diameter inti atom berkisar antara 10^-15 hingga 10^-14m.Jari-jari inti diperkirakan sama dengan fm, dengan A adalah jumlah nukleon.Hal ini sangatlah kecil dibandingkan dengan jari-jari atom. Nukleon-nukleon tersebut terikat bersama oleh gaya tarik-menarik potensial yang disebut gaya kuat residual. Pada jarak lebih kecil daripada 2,5 fm, gaya ini lebih kuat daripada gaya elektrostatik yang menyebabkan proton saling tolak menolak.

Atom dari unsur kimia yang sama memiliki jumlah proton yang sama, disebut nomor atom. Suatu unsur dapat memiliki jumlah neutron yang bervariasi. Variasi ini disebut sebagai isotop. Jumlah proton dan neutron suatu atom akan menentukan nuklida atom tersebut, sedangkan jumlah neutron relatif terhadap jumlah proton akan menentukan stabilitas inti atom, dengan isotop unsur tertentu akan menjalankan peluruhan radioaktif.

Neutron dan proton adalah dua jenis fermion yang berbeda. Asas pengecualian Pauli melarang adanya keberadaan fermion yang identik (seperti misalnya proton berganda) menduduki suatu keadaan fisik kuantum yang sama pada waktu yang sama. Oleh karena itu, setiap proton dalam inti atom harusnya menduduki keadaan kuantum yang berbeda dengan aras energinya masing-masing. Asas Pauli ini juga berlaku untuk neutron. Pelarangan ini tidak berlaku bagi proton dan neutron yang menduduki keadaan kuantum yang sama.

Untuk atom dengan nomor atom yang rendah, inti atom yang memiliki jumlah proton lebih banyak daripada neutron berpotensi jatuh ke keadaan energi yang lebih rendah melalui peluruhan radioaktif yang menyebabkan jumlah proton dan neutron seimbang. Oleh karena itu, atom dengan jumlah proton dan neutron yang berimbang lebih stabil dan cenderung tidak meluruh. Namun, dengan meningkatnya nomor atom, gaya tolak-menolak antar proton membuat inti atom memerlukan proporsi neutron yang lebih tinggi lagi untuk menjaga stabilitasnya. Pada inti yang paling berat, rasio neutron per proton yang diperlukan untuk menjaga stabilitasnya akan meningkat menjadi 1,5.

Gambaran proses fusi nuklir yang menghasilkan inti deuterium (terdiri dari satu proton dan satu neutron). Satu positron (e⁺) dipancarkan bersamaan dengan neutrino elektron.

Jumlah proton dan neutron pada inti atom dapat diubah, walaupun hal ini memerlukan energi yang sangat tinggi oleh karena gaya atraksinya yang kuat. Fusi nuklir terjadi ketika banyak partikel atom bergabung membentuk inti yang lebih berat. Sebagai contoh, pada inti Matahari, proton memerlukan energi sekitar 3–10 keV untuk mengatasi gaya tolak-menolak antar sesamanya dan bergabung menjadi satu inti.^[41] Fisi nuklir merupakan kebalikan dari proses fusi. Pada fisi nuklir, inti dipecah menjadi dua inti yang lebih kecil. Hal ini biasanya terjadi melalui peluruhan radioaktif. Inti atom juga dapat diubah melalui penembakan partikel subatom berenergi tinggi. Apabila hal ini mengubah jumlah proton dalam inti, atom tersebut akan berubah unsurnya.

Tingkat Energi Model Kulit

Struktur kulit atom didapatkan dari suatu deret pendekatan yang berurutan. Pertama kita asumsikan bahwa tingkat-tingkat energi untuk suatu inti bermuatan Ze telah terisi penuh oleh elektron-elektron Z dan seolah-olah tidak terjadi interaksi satu dengan yang lain. Kemudian dibuat koreksi untuk menghitung efek-efek interaksi yang terjadi. Efek utama, yang menghasilkan pendekatan pertama terhadap tingkat-tingkat kulit, memunculkan suatu keadaan bahwa secara rata-rata elektron bergerak independen di dalam medan Coulomb inti.

Jika pendekatan yang sama digunakan untuk mengembangkan gambaran kulit inti, potensial yang berbeda harus digunakan untuk merepresentasikan gaya-gaya inti. Salah satu pendekatannya adalah dengan megasumsikan bahwa nukleon-nukleon bergerak di dalam suatu rata-rata potensial osilator harmonik.

Setelah dihitung dengan mekanika kuantum, maka tingkat-tingkat energinya diberikan oleh:

Dengan N=2(n-1)+l . Besaran l adalah bilangan kuantum momentum orbital dan nilainya adalah 0, 1, 2, 3… serta berhubungan dengan vektor momentum anguler orbital dalam bentuk biasa lI . Besaran n adalah bilangan bulat yang nilainya adalah 1, 2 ,3… namun, berbeda dengan solusi atom hidrogen, nilai l inti tidak dibatasi oleh n.

Keadaan momentum anguler orbital nukleon ditunjukkan dalam notasi spektroskopik:

Nilai l	0	1	2	3	4	5	…
Simbol huruf	s	p	d	f	G	h	…

Bila nilai n di depan simbol huruf, akan menunjukkan orde (terhadap kenaikan energi) dari suatu keadaan ltertentu. Dengan demikian 2d adalah keadaan l = 2 setelah keadaan yang paling rendah.

Magic Number

Inti-inti yang mempunyai jumlah proton dan neutron sama dengan magic number ternyata sangat stabil. Jadi nukleon-nukleonnya berada dalam kulit.

Untuk menurunkan magic number dibutuhkankan pemisalan-pemisalan sebagai berikut:

- Setiap nukleon bergerak dalam potensial sentral

- Prinsip pauli tetap berlaku

- Persamaan Schrodinger yang hanya mengandung r

(persamaan radial)

Massa inti atom selalu lebih kecil dari jumlah massa nukleon-nukleon pembentuknya. Akibatnya ada energi ikat inti.

Contoh: 2p + 2n D ₂He⁴ jadi Dm = m(2p + 2n) - m(₂He⁴)

Energi ikat inti DE = Dm c² ®Dm = (Z . mp + N . mn) - m_inti

Dalam fisika inti satuan massa biasa ditulis 1 sma (1 amu) = 1.66 x 10^-27 kg = 931 MeV/C²

satuan Dm :
kg ®E = Dm . c² (joule)
sma ® E = Dm . 931 (MeV)

Stabilitas inti:

Suatu nuklida dikatakan stabil bila terletak dalam daerah kestabilan pada diagram N - Z.
Untuk nuklida ringan (A < 20) terjadi kestabilan bila Z = N (N/Z = 1), sedangkan untuk nuklida dengan Z > 83 adalah tidak stabil.

Contoh:

1. Sumber energi matahari adalah reaksi inti 4 proton ® helium + 2e⁺ diketahui:
- massa proton = 1,6726 x 10^-27 kg
- massa e+ = 0,0009 x 10^-27 kg
- massa helium = 6,6466 x 10^-27 kg

Jika dalam reaksi ini terbentuk 6,6466 gram helium, hitunglah energi yang dihasilkannya.

Jawab:

Dalam setiap reaksi yang terjadi: 4 ₁p¹ ® ₂He⁴ + 2e⁺, selalu terbentuk 1 ₂He⁴ yang massanya 6,6466 x 10^-27 kg. Karena terbentuknya 6,6466 gram ₂He⁴, maka jumlah reaksi yang terjadi (n) adalah:

n = (6,6466 gram) / (6,6466 x 10^-27) = 1024 kali reaksi.

Dari rumus Defek massa:
Dm = M(Dp) - M(1 ₂He⁴ + 2e⁺) = 0,042 x 10^-27 kg

Jadi energi total reaksi yang dihasilkan:

E = n . Dm . c² = 1024 . 0,042 x 10^-27 (3.10⁸)² = 0,378 x 10¹³ joule

2.2.6 Penghalang Coulomb ( The Coulomb Barrier )

Terjadinya gaya tolak-menolak listrik antarmuatan yang sama menghasilkan suatu penghalang yang disebut penghalang coulomb. Energi potensial yang ditunjukkan pada system ini merupakan fungsi jarak pisah antarinti yang saling berinteraksi.

Gaya tolak-menolak antarinti menyebabkan jarak pisah antara kedua inti sangat dekat. Akan tetapi, dengan cepat gaya tersebut berubah menjadi gaya tarik-menarik. Jadi, untuk mengatasi pengahalang Coulumb dan membawa inti saling berdekatan sehingga inti mendapatkan gaya tarik-menarik yang sangat kuat, energi kinetik yang dimiliki partikel harus sama atau lebih besar dari nilai maksimum penghalang coulomb tersebut. Salah satu cara yang dapat digunakan untuk memulai proses penggabungan inti ini adalah dengan menabrakan inti dengan kecepatan yang sangat tinggi. Akibatnya, inti-inti tersebut saling berdekatan dan menyatu sehingga dapat mengatasi gaya tolak-menolak antarinti. Akan tetapi, apabila partikel tidak mempunyai energi yang cukup, partikel tersebut tidak dapat melewati penghalang coulomb ini.

BAB III

KESIMPULAN

Partikel-partikel pembentuk inti atom adalah proton (₁P¹) dan netron ( ₀n¹). Kedua partikel pembentuk inti atom ini disebut juga nukleon.

Simbol nuklida : _ZX^A atau _Z^AX dengan

A = nomor massa

Z = jumlah proton dalam inti = jumlah elektron di kulit terluar

N = A - Z = jumlah netron di dalam inti atom

Proton bermuatan positif = 1,6 x 10^-19 C dan netron tidak bermuatan.

Isoton : Atom-atom unsur tertentu ( Z sama) dengan nomor massa berbeda.

Isoton: kelompok nuklida dengan jumlah netron sama tetapi Z berbeda.

Isobar: kelompok nuklida dengan A sama tetapi Z berbeda.

Massa inti atom selalu lebih kecil dari jumlah massa nukleon-nukleon pembentuknya. Akibatnya ada energi ikat inti.

Contoh: 2p + 2n D ₂He⁴ jadi Dm = m(2p + 2n) - m(₂He⁴)

Energi ikat inti DE = Dm c² ®Dm = (Z . mp + N . mn) - m_inti

Dalam fisika inti satuan massa biasa ditulis 1 sma (1 amu) = 1.66 x 10^-27 kg = 931 MeV/C²

satuan Dm :
kg ®E = Dm . c² (joule)
sma ® E = Dm . 931 (MeV)

Stabilitas inti:

Suatu nuklida dikatakan stabil bila terletak dalam daerah kestabilan pada diagram N - Z.
Untuk nuklida ringan (A < 20) terjadi kestabilan bila Z = N (N/Z = 1), sedangkan untuk nuklida dengan Z > 83 adalah tidak stabil.